鐵基液流電池新突破：6000次循環無衰減，壽命可達16年

環球零碳

碳中和領域的《新青年》

首圖來源：Alamy

撰文| Bell

編輯 | 小瀾

→這是《環球零碳》的1972篇原創

在邁向以可再生能源為主體的新型電力系統進程中，更好地實現電力的平穩儲存與釋放，一直是業界努力的方向。

在主流的鋰電池儲能技術路線之外，近年來越來越多人將目光投向了地球儲量更為豐富的元素——鐵。

鐵不僅成本低廉、環境友好，而且化學性質活潑，理論上完全能夠承擔起電化學儲能的任務。堿性全鐵液流電池由此脫穎而出。

這種電池具有循環壽命超長、安全不易燃、功率容量可解耦的特性，想要存更多的電，只需加大儲液罐體積即可。這些特質恰好契合電網級應用的“長時儲能”需求。

與目前主流的鋰電池儲能技術路線相比，鐵的交易價格僅為鋰的80分之一。全鐵液流電池也被視為儲能領域最有前途的“繼任者”。

不過，之所以還沒成為主流，也說明全鐵液流電池現階段仍面臨許多技術挑戰。

電化學可逆性差、活性物質易分解、配體跨膜滲透等問題，都嚴重限制了鐵基液流電池的循環壽命與產業化應用。

近日，中國科學院金屬研究所的一支研究團隊在全鐵液流電池技術上取得了新進展。

通過在分子層面重新設計鐵配合物，該團隊開發出一種新型電解液，成功解決了鐵基液流電池長期存在的活性物質易分解和配體交叉污染的問題。

研究結果顯示，新型電解液讓堿性全鐵液流電池實現了6000次超長循環無容量衰減，一天一次充放電可運行16年無衰減。相關成果發表于《Advanced Energy Materials》。

來源：Wiley Online Library

目前，鐵基液流電池面臨的最大麻煩主要來自于陽極液——也就是電池負極一側的電解液。在堿性環境中，鐵離子天生傾向于與氫氧根離子結合，生成氫氧化鐵沉淀。

這好比是血管中出現了血栓，不僅會讓活性物質永久損失，還可能堵塞電極孔道，直接宣告電池生命走向終結。

早期研究者們嘗試用三乙醇胺這類有機小分子作為配體去“包裹”鐵離子，形成鐵絡合物來抵御氫氧根的進攻。

這些絡合物就像給鐵離子穿了一副盔甲，讓電池的循環壽命從幾周延長到了數月，達到了250次左右的水平。

盡管如此，這副盔甲還遠不夠堅固。在長時間的充放電循環中，小分子配體組成的絡合物結構較為松散，配位數低，氫氧根依然能找到可乘之機攻擊鐵離子。

圖說：i) 顯示了氫氧根在小分子絡合物的存在下仍然可以攻擊鐵離子

來源：https://doi.org/10.1002/aenm.202506734

更棘手的是，這些小尺寸的絡合物和游離配體還會在濃度差的驅動下，悄悄穿過隔膜，滲透到正極另一側。

這種“交叉污染”會不可逆地消耗兩邊的活性物質，導致電池容量一點一點地衰減。

后續研究者們設計了多種新型配體，將循環壽命逐步提升至1000次乃至2000次，但距離電網應用所需要的十年以上的運行周期，依然存在著很大的差距。

中國科學院金屬研究所的科研團隊從這一根本矛盾出發，提出了一種協同的設計理念。

他們的思路是：既然問題源于絡合物不夠穩定、又容易穿膜，那就應當從分子結構的源頭，賦予鐵絡合物兩重決定性特質——極高的空間位阻和一層負電荷保護界面。

具體而言，他們精心篩選了兩種富含氧和氮的多齒有機配體，一種是結構龐大、帶眾多羥基和磺酸基的HPF，另一種是同樣富含官能團的BHS，讓它們攜手與三價鐵離子配位，構筑出一個全新的絡合物。

圖說：HPF和BHS配體結構示意

來源：https://doi.org/10.1002/aenm.202506734

在這個龐大的絡合物中，鐵離子被多根配位鍵牢牢鎖定，形成一種高配位數的致密結構，宛如一枚被多層鋼索緊固的核心球體。

分子動力學計算結果顯示，其周圍水分子的配位數顯著降低，這意味著氫氧根離子被物理性地排斥在外部，難以接近內核的鐵離子。

同時，磺酸基和羥基在絡合物表面構建了一層均勻的負電荷云。

這一方面通過道南（Donnan）排斥效應，進一步強化了對氫氧根的靜電排斥；另一方面，這層負電荷與電池中普遍使用的Nafion膜表面的磺酸基團產生同種電荷的靜電排斥，使得絡合物及其未結合的配體想要穿過隔膜的擴散速率降低了兩個數量級。

理論上的完美設計必須經得起嚴苛實驗的檢驗。傅里葉變換紅外光譜、核磁共振波譜和X射線光電子能譜等實驗表征也一致證實了鐵離子與兩種配體間牢固的化學配位。

更令人安心的是，它的析氫電位顯著負移，表明在充電過程中，難以發生將電能白白消耗于水分解的副反應，從根本上保障了充放電效率。

當這種陽極液與成熟的亞鐵氰化鉀陰極液配對，組裝成全鐵液流電池后，優異的性能數據呈現在人們面前。

在80mA/cm2電流密度下，電池的平均庫侖效率高達99.4%；在150mA/cm2的高電流密度下，電池能量效率依然堅挺在78.5%。

這意味充進去的電幾乎沒有被浪費掉，絕大部分都成功地轉化為了化學能并再度釋放。

更加突出的是它的超長循環壽命：在80mA/cm2電流密度下連續運行超過6000次充放電循環后，無沉淀、無副產物累積，電池的容量保持率不可思議地維持在100%，沒有任何可測量的衰減，遠超此前文獻報道。

來源：https://doi.org/10.1002/aenm.202506734

這相當于如果每天進行一次充放電，電池可以毫發無傷地工作超過16年。

作為對比，消費電子鋰離子電池循環壽命通常在約500次；電動汽車用三元鋰電池理論循環壽命約為2000-2500次。

研究人員通過循環后的光譜分析發現，正極液中幾乎檢測不到配體成分，僅有微量的游離配體以極低濃度存在，無法對系統造成實質性損害。

而在傳統體系中，配體分子會穿透隔膜進入正極，并在高電位下被氧化降解，生成一系列含醛基和酮基的副產物。

這項成果的意義不僅在于創造了一項長循環的紀錄，更在于它展示了一套普遍適用的鐵絡合物理性設計方法，為堿性全鐵液流電池通向實用化指明了關鍵方向。

科技雜志《Interesting Engineering》的記者評價道，這項技術對電網級儲能來說是一個顛覆性的突破，不僅削減了長期成本，更確保了儲能系統長達十多年的可靠運行。

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

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