2026-04-29 19:18
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本文来自微信公众号： 环球零碳 ，编辑：小澜，作者：环球零碳研究中心
在迈向以可再生能源为主体的新型电力系统进程中，更好地实现电力的平稳储存与释放，一直是业界努力的方向。
在主流的锂电池储能技术路线之外，近年来越来越多人将目光投向了地球储量更为丰富的元素——铁。
铁不仅成本低廉、环境友好，而且化学性质活泼，理论上完全能够承担起电化学储能的任务。碱性全铁液流电池由此脱颖而出。
这种电池具有循环寿命超长、安全不易燃、功率容量可解耦的特性，想要存更多的电，只需加大储液罐体积即可。这些特质恰好契合电网级应用的“长时储能”需求。
与目前主流的锂电池储能技术路线相比，铁的交易价格仅为锂的80分之一。全铁液流电池也被视为储能领域最有前途的“继任者”。
不过，之所以还没成为主流，也说明全铁液流电池现阶段仍面临许多技术挑战。
电化学可逆性差、活性物质易分解、配体跨膜渗透等问题，都严重限制了铁基液流电池的循环寿命与产业化应用。
近日，中国科学院金属研究所的一支研究团队在全铁液流电池技术上取得了新进展。
通过在分子层面重新设计铁配合物，该团队开发出一种新型电解液，成功解决了铁基液流电池长期存在的活性物质易分解和配体交叉污染的问题。
研究结果显示，新型电解液让碱性全铁液流电池实现了6000次超长循环无容量衰减，一天一次充放电可运行16年无衰减。相关成果发表于《Advanced Energy Materials》。
来源：Wiley Online Library
目前，铁基液流电池面临的最大麻烦主要来自于阳极液——也就是电池负极一侧的电解液。在碱性环境中，铁离子天生倾向于与氢氧根离子结合，生成氢氧化铁沉淀。
这好比是血管中出现了血栓，不仅会让活性物质永久损失，还可能堵塞电极孔道，直接宣告电池生命走向终结。
早期研究者们尝试用三乙醇胺这类有机小分子作为配体去“包裹”铁离子，形成铁络合物来抵御氢氧根的进攻。
这些络合物就像给铁离子穿了一副盔甲，让电池的循环寿命从几周延长到了数月，达到了250次左右的水平。
尽管如此，这副盔甲还远不够坚固。在长时间的充放电循环中，小分子配体组成的络合物结构较为松散，配位数低，氢氧根依然能找到可乘之机攻击铁离子。
图说：i)显示了氢氧根在小分子络合物的存在下仍然可以攻击铁离子
来源：https://doi.org/10.1002/aenm.202506734
更棘手的是，这些小尺寸的络合物和游离配体还会在浓度差的驱动下，悄悄穿过隔膜，渗透到正极另一侧。
这种“交叉污染”会不可逆地消耗两边的活性物质，导致电池容量一点一点地衰减。
后续研究者们设计了多种新型配体，将循环寿命逐步提升至1000次乃至2000次，但距离电网应用所需要的十年以上的运行周期，依然存在着很大的差距。
中国科学院金属研究所的科研团队从这一根本矛盾出发，提出了一种协同的设计理念。
他们的思路是：既然问题源于络合物不够稳定、又容易穿膜，那就应当从分子结构的源头，赋予铁络合物两重决定性特质——极高的空间位阻和一层负电荷保护界面。
具体而言，他们精心筛选了两种富含氧和氮的多齿有机配体，一种是结构庞大、带众多羟基和磺酸基的HPF，另一种是同样富含官能团的BHS，让它们携手与三价铁离子配位，构筑出一个全新的络合物。
图说：HPF和BHS配体结构示意
来源：https://doi.org/10.1002/aenm.202506734
在这个庞大的络合物中，铁离子被多根配位键牢牢锁定，形成一种高配位数的致密结构，宛如一枚被多层钢索紧固的核心球体。
分子动力学计算结果显示，其周围水分子的配位数显著降低，这意味着氢氧根离子被物理性地排斥在外部，难以接近内核的铁离子。
同时，磺酸基和羟基在络合物表面构建了一层均匀的负电荷云。
这一方面通过道南（Donnan）排斥效应，进一步强化了对氢氧根的静电排斥；另一方面，这层负电荷与电池中普遍使用的Nafion膜表面的磺酸基团产生同种电荷的静电排斥，使得络合物及其未结合的配体想要穿过隔膜的扩散速率降低了两个数量级。
理论上的完美设计必须经得起严苛实验的检验。傅里叶变换红外光谱、核磁共振波谱和X射线光电子能谱等实验表征也一致证实了铁离子与两种配体间牢固的化学配位。
更令人安心的是，它的析氢电位显著负移，表明在充电过程中，难以发生将电能白白消耗于水分解的副反应，从根本上保障了充放电效率。
当这种阳极液与成熟的亚铁氰化钾阴极液配对，组装成全铁液流电池后，优异的性能数据呈现在人们面前。
在80mA/cm2电流密度下，电池的平均库仑效率高达99.4%；在150mA/cm2的高电流密度下，电池能量效率依然坚挺在78.5%。
这意味充进去的电几乎没有被浪费掉，绝大部分都成功地转化为了化学能并再度释放。
更加突出的是它的超长循环寿命：在80mA/cm2电流密度下连续运行超过6000次充放电循环后，无沉淀、无副产物累积，电池的容量保持率不可思议地维持在100%，没有任何可测量的衰减，远超此前文献报道。
来源：https://doi.org/10.1002/aenm.202506734
这相当于如果每天进行一次充放电，电池可以毫发无伤地工作超过16年。
作为对比，消费电子锂离子电池循环寿命通常在约500次；电动汽车用三元锂电池理论循环寿命约为2000-2500次。
研究人员通过循环后的光谱分析发现，正极液中几乎检测不到配体成分，仅有微量的游离配体以极低浓度存在，无法对系统造成实质性损害。
而在传统体系中，配体分子会穿透隔膜进入正极，并在高电位下被氧化降解，生成一系列含醛基和酮基的副产物。
这项成果的意义不仅在于创造了一项长循环的纪录，更在于它展示了一套普遍适用的铁络合物理性设计方法，为碱性全铁液流电池通向实用化指明了关键方向。
科技杂志《Interesting Engineering》的记者评价道，这项技术对电网级储能来说是一个颠覆性的突破，不仅削减了长期成本，更确保了储能系统长达十多年的可靠运行。
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参考资料
[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
