本文來自微信公眾號(hào)： 環(huán)球零碳 ，編輯：小瀾，作者：環(huán)球零碳研究中心

在全球推進(jìn)構(gòu)建以可再生能源為核心的新型電力系統(tǒng)過程中，如何安全、低成本地實(shí)現(xiàn)電力的長時(shí)間存儲(chǔ)與穩(wěn)定輸出，始終是能源領(lǐng)域亟待突破的核心課題。

在目前主流的鋰離子電池儲(chǔ)能路線之外，越來越多科研人員開始將目光轉(zhuǎn)向地殼儲(chǔ)量極其豐富的鐵元素，基于鐵開發(fā)新型儲(chǔ)能技術(shù)。

鐵不僅原料價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境友好，本身電化學(xué)活性充足，完全滿足電化學(xué)儲(chǔ)能的基本要求，堿性全鐵液流電池也因此成為長時(shí)儲(chǔ)能賽道的熱門技術(shù)方向。

這類電池?fù)碛醒h(huán)壽命長、本質(zhì)安全不燃燒、功率與容量可獨(dú)立設(shè)計(jì)的突出優(yōu)勢——如果需要提升儲(chǔ)能規(guī)模，只需要增大儲(chǔ)液罐的體積即可，這些特性完美匹配了電網(wǎng)級(jí)長時(shí)儲(chǔ)能的應(yīng)用需求。

和主流鋰電池相比，目前鐵的市場價(jià)格僅為鋰的八十分之一，全鐵液流電池也被不少業(yè)內(nèi)人士看做儲(chǔ)能領(lǐng)域極具潛力的下一代技術(shù)路線。

不過，這項(xiàng)技術(shù)至今未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，核心原因是現(xiàn)階段還存在多個(gè)難以解決的技術(shù)瓶頸。

鐵活性物質(zhì)電化學(xué)可逆性差、容易分解、配體易跨膜滲透等問題，都嚴(yán)重限制了鐵基液流電池的循環(huán)壽命，拖慢了其產(chǎn)業(yè)化的腳步。

近日，中國科學(xué)院金屬研究所的科研團(tuán)隊(duì)在全鐵液流電池領(lǐng)域取得了重要技術(shù)進(jìn)展。

研究團(tuán)隊(duì)選擇從分子層面對(duì)鐵配合物重新設(shè)計(jì)，成功開發(fā)出一款全新的電解液，徹底解決了長期困擾鐵基液流電池發(fā)展的活性物質(zhì)易分解、配體交叉污染兩大核心問題。

測試結(jié)果顯示，使用新型電解液的堿性全鐵液流電池完成6000次充放電循環(huán)后沒有出現(xiàn)任何容量衰減，如果按照每天一次充放電計(jì)算，該電池可以連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行16年不發(fā)生衰減，相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表在國際期刊《Advanced Energy Materials》上。

此前，鐵基液流電池最大的技術(shù)痛點(diǎn)出在負(fù)極一側(cè)的陽極液上：在堿性環(huán)境中，鐵離子天生更容易和氫氧根結(jié)合，最終生成氫氧化鐵沉淀。

這些沉淀就像人體血管里的血栓，不僅會(huì)造成活性物質(zhì)的永久性損失，還會(huì)堵塞電極的孔道，直接導(dǎo)致電池失效報(bào)廢。

早期研究人員曾經(jīng)嘗試使用三乙醇胺這類有機(jī)小分子作為配體，用來“包裹”鐵離子形成絡(luò)合物，以此阻擋氫氧根的進(jìn)攻。

這類小分子絡(luò)合物相當(dāng)于給鐵離子套了一層盔甲，確實(shí)把電池的循環(huán)壽命從數(shù)周提升到了數(shù)月，最高能夠達(dá)到250次左右的循環(huán)水平。

但即便如此，這層“盔甲”的防護(hù)能力依然不足：在長期反復(fù)充放電的過程中，小分子配體形成的絡(luò)合物結(jié)構(gòu)松散、配位數(shù)低，氫氧根依然可以突破防護(hù)攻擊到內(nèi)部的鐵離子，產(chǎn)生沉淀。

圖說：i)展示了氫氧根能夠突破小分子絡(luò)合物的防護(hù)攻擊鐵離子的過程

更難解決的是，這類小尺寸的絡(luò)合物和游離配體還會(huì)在濃度差的推動(dòng)下，穿過隔膜滲透到電池正極一側(cè)。

這種“交叉污染”會(huì)不可逆地消耗正負(fù)極兩側(cè)的活性物質(zhì)，導(dǎo)致電池容量不斷衰減，最終無法使用。

后續(xù)各國研究人員設(shè)計(jì)過多種新型配體，把全鐵液流電池的循環(huán)壽命逐步提升到了1000次甚至2000次，但距離電網(wǎng)儲(chǔ)能要求的十年以上穩(wěn)定運(yùn)行，依然存在不小的差距。

此次中科院金屬所的研究團(tuán)隊(duì)從上述核心矛盾入手，提出了一套全新的協(xié)同分子設(shè)計(jì)思路。

團(tuán)隊(duì)的核心思路是：既然問題出在絡(luò)合物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、分子尺寸小容易穿膜，那就從分子結(jié)構(gòu)源頭給鐵絡(luò)合物加上雙重防護(hù)——足夠大的空間位阻，再加一層負(fù)電荷保護(hù)界面。

具體來說，研究人員精心挑選了兩種富含氧、氮元素的多齒有機(jī)配體，一種是體積大、帶有大量羥基和磺酸基的HPF，另一種是同樣富含官能團(tuán)的BHS，讓兩種配體共同和三價(jià)鐵離子配位，構(gòu)建出了一種全新的鐵絡(luò)合物。

圖說：HPF和BHS配體結(jié)構(gòu)示意圖

在這個(gè)體積龐大的全新絡(luò)合物中，鐵離子被多個(gè)配位鍵牢牢固定，形成了高配位數(shù)的致密結(jié)構(gòu)，就像核心球體被多層鋼索緊緊綁定，穩(wěn)定性大幅提升。

分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果顯示，絡(luò)合物周圍水分子的配位數(shù)出現(xiàn)了明顯下降，說明氫氧根離子已經(jīng)被物理阻擋在絡(luò)合物外部，很難接觸到核心的鐵離子。

同時(shí)，絡(luò)合物表面的磺酸基和羥基，還在其外圍構(gòu)建出了一層均勻的負(fù)電荷云。

這層負(fù)電荷一方面通過道南排斥效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)氫氧根的靜電阻擋；另一方面，這層負(fù)電荷和鐵基液流電池常用的Nafion膜表面的磺酸基團(tuán)屬于同種電荷，會(huì)產(chǎn)生靜電排斥作用，讓絡(luò)合物和未結(jié)合的游離配體穿過隔膜的擴(kuò)散速率下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從源頭上解決了交叉污染問題。

理論設(shè)計(jì)需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，傅里葉變換紅外光譜、核磁共振波譜以及X射線光電子能譜等多項(xiàng)表征結(jié)果，都一致證明鐵離子和兩種配體已經(jīng)形成了牢固的配位結(jié)構(gòu)。

更驚喜的是，新型絡(luò)合物的析氫電位出現(xiàn)了顯著負(fù)移，說明充電過程中很難發(fā)生水分解的副反應(yīng)，不會(huì)白白消耗電能，從根本上保障了電池的充放電效率。

研究人員將這款新型陽極液和已經(jīng)十分成熟的亞鐵氰化鉀陰極液搭配，組裝出完整的全鐵液流電池后，獲得了十分亮眼的性能數(shù)據(jù)。

在80mA/cm2的電流密度下，電池的平均庫侖效率達(dá)到了99.4%；即便在150mA/cm2的高電流密度下，電池的能量效率依然穩(wěn)定保持在78.5%。

這意味著幾乎沒有電能被浪費(fèi)，絕大部分充電得到的電能都被轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲(chǔ)，并成功釋放輸出。

最突出的還是它的循環(huán)壽命表現(xiàn)：在80mA/cm2電流密度下連續(xù)完成超過6000次充放電循環(huán)后，電池沒有出現(xiàn)沉淀、也沒有副產(chǎn)物累積，容量保持率達(dá)到了100%，沒有任何可檢測到的容量衰減，性能遠(yuǎn)超此前所有公開報(bào)道的結(jié)果。

按照這個(gè)循環(huán)穩(wěn)定性推算，如果每天完成一次充放電，這款電池可以穩(wěn)定工作超過16年不出現(xiàn)性能衰減。

做個(gè)直觀對(duì)比：普通消費(fèi)電子產(chǎn)品用的鋰離子電池循環(huán)壽命通常在500次左右；新能源汽車所用的三元鋰電池理論循環(huán)壽命大約在2000-2500次之間，遠(yuǎn)低于這款新型全鐵液流電池的水平。

研究人員對(duì)完成循環(huán)后的電池進(jìn)行光譜分析發(fā)現(xiàn)，正極液中幾乎檢測不到來自陽極的配體成分，只有極其微量的游離配體存在，完全不會(huì)對(duì)電池系統(tǒng)造成損傷。

而在傳統(tǒng)的全鐵液流電池體系中，配體分子很容易穿透隔膜進(jìn)入正極，并且在正極的高電位環(huán)境下被氧化降解，生成一系列含醛基、酮基的有害副產(chǎn)物，一步步造成電池容量衰減。

這項(xiàng)成果的價(jià)值不只是創(chuàng)造了全鐵液流電池長循環(huán)的新紀(jì)錄，更重要的是它提出了一套普適性的鐵絡(luò)合物分子設(shè)計(jì)方法，為堿性全鐵液流電池的實(shí)用化發(fā)展指明了關(guān)鍵方向。

科技期刊《Interesting Engineering》的記者評(píng)價(jià)稱，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于電網(wǎng)級(jí)長時(shí)儲(chǔ)能來說是一項(xiàng)突破性進(jìn)展，不僅能夠降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的全生命周期成本，還能保障儲(chǔ)能系統(tǒng)十多年的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

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參考資料

[1]https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202506734

[2]https://interestingengineering.com/energy/new-all-iron-battery-sustains-6000-cycles

[3]https://www.scmp.com/news/china/science/article/3351111/china-unveils-ultra-cheap-all-iron-battery-renewable-energy-storage

[4]https://imr.cas.cn/xwzx/kydt/202604/t20260416_8186375.html