近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所電力儲能技術與應用課題組團隊從分子軌道能級調控出發，提出了電解質材料和電極材料新的設計思路，將現有水系鋅基電池和鐵基液流電池的能量密度和循環壽命分別提升了數倍，相關研究結果以“A 1000 Wh kg−1 Cathode Facilitated by In Situ Mineralized Electrolyte with Electron Potential Well for High-Energy Aqueous Zinc Batteries” 為題發表在Advanced Materials，以“Molecular Tailoring of Iron Chelates for Long-Cycling and High-Efficiency All-Iron Redox Flow Batteries”為題發表在Journal of the American Chemical Society。上海硅酸鹽所博士研究生姚凌波和羅明達為此論文的第一作者，指導老師為劉宇研究員和遲曉偉研究員。
 

　　原位礦化電解質和電子勢阱介導的高比能長壽命水系鋅金屬電池：受自然界中生物礦化現象的啟發，團隊設計了一種原位礦化電解質，采用普魯士藍類似物作為礦化劑，其可以作為電子勢阱協同調控鋅負極以及鹵素正極的能級結構，從而促進了電極/電解質界面處的均勻、快速且可逆的電荷轉移。在正極側：該電子勢阱使碘陰極在1 A g−1的電流密度下實現了286.4 mAh g−1的比容量和2000次的循環壽命；在負極側：該電子勢阱有助于將鋅枝晶原位還原為活性Zn2+，確保鋅陽極穩定循環，在5 mAh cm−2的實際面容量下鋅負極可以穩定循環1500 h。此外，電子勢阱介導的碘-溴化學的協同作用，有效促進了高度可逆的多電子轉移反應，基于正極的極限能量密度達到了目前文獻報道的最高值1143.9 Wh kg−1，全電池在6000次循環中實現了503 Wh kg−1的能量密度和86.73%的高能量效率。這項研究不僅首次提出了“電子勢阱”電解質的概念，還通過巧妙的“原位礦化”策略將其實現，同時解決了水系鋅電池正負極的兩大核心挑戰，實現了能量密度和循環壽命的協同提升，為設計開發新一代高性能、低成本、高安全性的水系電池提供了全新的方向，有望加速其在大規模儲能領域的商業化應用進程。
 

　　原位礦化電解質中電子勢阱介導機制示意圖(a-b)及高比能水系鋅基電池電化學性能(c-d)

 

　　分子定制設計的鐵基螯合物電極材料助力長壽命高效率水系鐵基液流電池：針對傳統鐵螯合物如Fe-TEA、Fe-THEED等負極結構不穩定，易發生配體穿梭與分解的問題，團隊通過精細的分子裁剪，設計出一種新型配體2-羥基-1,3-丙二胺四磺酸鈉鹽(2-hydroxy-1,3-propanediamine tetra-sulfonate sodium salt，HPDTS)，實現了配體結構與螯合構型的雙重調控，構建出高穩定性和可逆性的對稱六配位鐵螯合物負極。該設計不僅保留了傳統五配位負極材料較低的氧化還原電位，而且HPDTS與鐵形成的對稱六配位結構具有更短的Fe-O鍵長和更高的LUMO能級，從根本上增強了絡合物的穩定性，解決了負極螯合物易分解產生鐵枝晶和析氫的痛點問題。采用Fe-HPDTS螯合物負極材料與商用鐵氰化物正極可以組成1.3 V穩定的水系鐵基液流全電池。此外，得益于該負極材料更大的體積和更高的負電荷數，其擁有優異的配體選擇性，搭配廉價的高離子電導率的非氟質子交換膜PBI時，全電池表現出卓越的性能，在200 mA cm−2下能量效率達71.79%，功率密度446.9 mW cm−2；并且循環壽命突破15,000次，容量衰減率僅為0.00074%/圈，平均庫侖效率接近100%。這項研究不僅開發了一種高性能鐵絡合劑，更提出了“配體結構-螯合構型”協同設計的分子工程新范式，為鐵基液流電池的實際應用奠定了堅實基礎，該技術有望在電網級儲能、可再生能源并網等領域發揮重要作用，推動長時儲能技術的發展。
 

　　液流電池負極材料分子結構和設計原理(a-b)及長壽命鐵基液流電池電化學性能(c-f)

 

　　以上研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的支持。液流電池新體系研究獲批了2025年上海市關鍵技術研發計劃“新能源項目”，聯合相關企業擬開展MWh系統示范。