上海硅酸盐所在水系电池研究方向取得系列进展

　　在全球能源结构向可再生能源转型的关键时期，发展低成本、高安全、可持续、大规模的储能技术已成为迫切需求。以锌、铁等为代表的水系金属电池以其独特的安全-成本双重保障的优势脱颖而出，被视为最具潜力的下一代储能解决方案之一，尤其在大规模电网储能、备用电源等领域拥有广阔前景。然而其共性的负极侧金属枝晶、析氢以及正极侧材料溶解穿梭等问题，严重影响了其能量密度和循环寿命等性能指标，限制了其商业化应用推广。
 

　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所电力储能技术与应用课题组团队从分子轨道能级调控出发，提出了电解质材料和电极材料新的设计思路，将现有水系锌基电池和铁基液流电池的能量密度和循环寿命分别提升了数倍，相关研究结果以“A 1000 Wh kg−1 Cathode Facilitated by In Situ Mineralized Electrolyte with Electron Potential Well for High-Energy Aqueous Zinc Batteries” 为题发表在Advanced Materials，以“Molecular Tailoring of Iron Chelates for Long-Cycling and High-Efficiency All-Iron Redox Flow Batteries”为题发表在Journal of the American Chemical Society。上海硅酸盐所博士研究生姚凌波和罗明达为此论文的第一作者，指导老师为刘宇研究员和迟晓伟研究员。
 

　　原位矿化电解质和电子势阱介导的高比能长寿命水系锌金属电池：受自然界中生物矿化现象的启发，团队设计了一种原位矿化电解质，采用普鲁士蓝类似物作为矿化剂，其可以作为电子势阱协同调控锌负极以及卤素正极的能级结构，从而促进了电极/电解质界面处的均匀、快速且可逆的电荷转移。在正极侧：该电子势阱使碘阴极在1 A g−1的电流密度下实现了286.4 mAh g−1的比容量和2000次的循环寿命；在负极侧：该电子势阱有助于将锌枝晶原位还原为活性Zn2+，确保锌阳极稳定循环，在5 mAh cm−2的实际面容量下锌负极可以稳定循环1500 h。此外，电子势阱介导的碘-溴化学的协同作用，有效促进了高度可逆的多电子转移反应，基于正极的极限能量密度达到了目前文献报道的最高值1143.9 Wh kg−1，全电池在6000次循环中实现了503 Wh kg−1的能量密度和86.73%的高能量效率。这项研究不仅首次提出了“电子势阱”电解质的概念，还通过巧妙的“原位矿化”策略将其实现，同时解决了水系锌电池正负极的两大核心挑战，实现了能量密度和循环寿命的协同提升，为设计开发新一代高性能、低成本、高安全性的水系电池提供了全新的方向，有望加速其在大规模储能领域的商业化应用进程。
 

　　原位矿化电解质中电子势阱介导机制示意图(a-b)及高比能水系锌基电池电化学性能(c-d)

 

　　分子定制设计的铁基螯合物电极材料助力长寿命高效率水系铁基液流电池：针对传统铁螯合物如Fe-TEA、Fe-THEED等负极结构不稳定，易发生配体穿梭与分解的问题，团队通过精细的分子裁剪，设计出一种新型配体2-羟基-1,3-丙二胺四磺酸钠盐(2-hydroxy-1,3-propanediamine tetra-sulfonate sodium salt，HPDTS)，实现了配体结构与螯合构型的双重调控，构建出高稳定性和可逆性的对称六配位铁螯合物负极。该设计不仅保留了传统五配位负极材料较低的氧化还原电位，而且HPDTS与铁形成的对称六配位结构具有更短的Fe-O键长和更高的LUMO能级，从根本上增强了络合物的稳定性，解决了负极螯合物易分解产生铁枝晶和析氢的痛点问题。采用Fe-HPDTS螯合物负极材料与商用铁氰化物正极可以组成1.3 V稳定的水系铁基液流全电池。此外，得益于该负极材料更大的体积和更高的负电荷数，其拥有优异的配体选择性，搭配廉价的高离子电导率的非氟质子交换膜PBI时，全电池表现出卓越的性能，在200 mA cm−2下能量效率达71.79%，功率密度446.9 mW cm−2；并且循环寿命突破15,000次，容量衰减率仅为0.00074%/圈，平均库仑效率接近100%。这项研究不仅开发了一种高性能铁络合剂，更提出了“配体结构-螯合构型”协同设计的分子工程新范式，为铁基液流电池的实际应用奠定了坚实基础，该技术有望在电网级储能、可再生能源并网等领域发挥重要作用，推动长时储能技术的发展。
 

　　液流电池负极材料分子结构和设计原理(a-b)及长寿命铁基液流电池电化学性能(c-f)

 

　　以上研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。液流电池新体系研究获批了2025年上海市关键技术研发计划“新能源项目”，联合相关企业拟开展MWh系统示范。