——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
在全球能源結(jié)構(gòu)向可再生能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，發(fā)展低成本、高安全、可持續(xù)、大規(guī)模的儲能技術(shù)已成為迫切需求。以鋅、鐵等為代表的水系金屬電池以其獨特的安全-成本雙重保障的優(yōu)勢脫穎而出，被視為最具潛力的下一代儲能解決方案之一，尤其在大規(guī)模電網(wǎng)儲能、備用電源等領(lǐng)域擁有廣闊前景。然而其共性的負極側(cè)金屬枝晶、析氫以及正極側(cè)材料溶解穿梭等問題，嚴重影響了其能量密度和循環(huán)壽命等性能指標，限制了其商業(yè)化應(yīng)用推廣。
近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所電力儲能技術(shù)與應(yīng)用課題組團隊從分子軌道能級調(diào)控出發(fā)，提出了電解質(zhì)材料和電極材料新的設(shè)計思路，將現(xiàn)有水系鋅基電池和鐵基液流電池的能量密度和循環(huán)壽命分別提升了數(shù)倍，相關(guān)研究結(jié)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(fā)表在Advanced Materials，以“Molecular Tailoring of Iron Chelates for Long-Cycling and High-Efficiency All-Iron Redox Flow Batteries”為題發(fā)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(dǎo)老師為劉宇研究員和遲曉偉研究員。
原位礦化電解質(zhì)和電子勢阱介導(dǎo)的高比能長壽命水系鋅金屬電池：受自然界中生物礦化現(xiàn)象的啟發(fā)，團隊設(shè)計了一種原位礦化電解質(zhì)，采用普魯士藍類似物作為礦化劑，其可以作為電子勢阱協(xié)同調(diào)控鋅負極以及鹵素正極的能級結(jié)構(gòu)，從而促進了電極/電解質(zhì)界面處的均勻、快速且可逆的電荷轉(zhuǎn)移。在正極側(cè)：該電子勢阱使碘陰極在1 A g?1的電流密度下實現(xiàn)了286.4 mAh g?1的比容量和2000次的循環(huán)壽命；在負極側(cè)：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(wěn)定循環(huán)，在5 mAh cm?2的實際面容量下鋅負極可以穩(wěn)定循環(huán)1500 h。此外，電子勢阱介導(dǎo)的碘-溴化學(xué)的協(xié)同作用，有效促進了高度可逆的多電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，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(huán)中實現(xiàn)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(zhì)的概念，還通過巧妙的“原位礦化”策略將其實現(xiàn)，同時解決了水系鋅電池正負極的兩大核心挑戰(zhàn)，實現(xiàn)了能量密度和循環(huán)壽命的協(xié)同提升，為設(shè)計開發(fā)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(guī)模儲能領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用進程。
原位礦化電解質(zhì)中電子勢阱介導(dǎo)機制示意圖（a-b）及高比能水系鋅基電池電化學(xué)性能（c-d）
分子定制設(shè)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(tǒng)鐵螯合物如Fe-TEA、Fe-THEED等負極結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易發(fā)生配體穿梭與分解的問題，團隊通過精細的分子裁剪，設(shè)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(xiàn)了配體結(jié)構(gòu)與螯合構(gòu)型的雙重調(diào)控，構(gòu)建出高穩(wěn)定性和可逆性的對稱六配位鐵螯合物負極。該設(shè)計不僅保留了傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)具有更短的Fe-O鍵長和更高的LUMO能級，從根本上增強了絡(luò)合物的穩(wěn)定性，解決了負極螯合物易分解產(chǎn)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(wěn)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(shù)，其擁有優(yōu)異的配體選擇性，搭配廉價的高離子電導(dǎo)率的非氟質(zhì)子交換膜PBI時，全電池表現(xiàn)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(huán)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(fā)了一種高性能鐵絡(luò)合劑，更提出了“配體結(jié)構(gòu)-螯合構(gòu)型”協(xié)同設(shè)計的分子工程新范式，為鐵基液流電池的實際應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)，該技術(shù)有望在電網(wǎng)級儲能、可再生能源并網(wǎng)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動長時儲能技術(shù)的發(fā)展。
液流電池負極材料分子結(jié)構(gòu)和設(shè)計原理（a-b）及長壽命鐵基液流電池電化學(xué)性能（c-f）
以上研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)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(guān)鍵技術(shù)研發(fā)計劃“新能源項目”，聯(lián)合相關(guān)企業(yè)擬開展MWh系統(tǒng)示范。
