吉林大学鄢俊敏/张霏霏，新加坡国立大学王庆AEM：螯合介导外层电子转移助力高电压/长寿命中性锌铁液流电池

第一作者：曹金鹏，张航

通讯作者：鄢俊敏*，张霏霏*，王庆*

单位：吉林大学，新加坡国立大学

随着可再生能源在全球能源结构中占比的不断提升，对大规模、高效、安全的储能技术的需求日益迫切。在众多储能体系中，水系锌铁液流电池（ZIFBs）以其固有的高安全性、低成本以及环境友好等优势，被认为是极具潜力的大规模储能解决方案。然而，当前的水系锌铁液流电池在实际应用中仍面临着关键挑战，包括受限于水系电解液的窄电化学窗口导致的工作电压偏低，以及循环过程中锌负极枝晶生长和不可逆副反应引起的循环寿命衰减问题。这些因素严重制约了其能量密度和长期稳定性，进而阻碍了其商业化进程。为了克服这些挑战，本研究致力于探索一种通过螯合介导的外球层电子转移机制来调控电池性能的新策略。我们旨在通过引入特定的螯合配体，优化电解液中的离子传输与氧化还原反应路径，从而在宏观上实现水系锌铁液流电池工作电压的提升和循环寿命的延长。这项工作将为开发下一代高性能水系锌铁液流电池提供新的设计理念和理论依据。

近日，来自吉林大学的鄢俊敏教授、张霏霏研究员团队与新加坡国立大学的王庆教授团队合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Chelation Mediated Outer-Sphere Electron Transfer for High-Voltage and Long-Lifespan Neutral Zinc-Iron Flow Batteries”的最新研究成果。该研究提出一种配体配位策略，使用亚氨基二琥珀酸四钠（IDs）来合理调控Zn2+的氧化还原行为。稳定[H4Zn(C8H7NO8)2]2-配合物的形成将常规Zn(H2O)62+结构转变为螯合物主导的构型，通过阻止锌与电极的直接相互作用，诱导了外层电子转移路径。同时，该策略使得氧化还原电位显著负移350 mV（从-0.814 V vs. SHE 到 -1.164 V vs. SHE），从而在中性ZIFBs中实现了创纪录的1.63 V 电池电压。稳定的配位环境促进了高度可逆的锌沉积/剥离，同时抑制了HER、枝晶形成及其他副反应。因此，这种高电压ZIFBs在40 mA cm-2的电流密度下表现出88.77%的卓越能量效率，并在320个循环中展现出优异的循环稳定性，推动了高性能、耐用中性ZIFBs的发展。

通过电化学动力学测试揭示了IDs-Zn体系独特的电荷转移路径。循环伏安曲线分析表明，IDs的加入使锌沉积过程从传统的内层电子转移转变为外层电子转移机制。在这种新型机制下，电子通过螯合配体形成的隧道直接传递给Zn2+，而无需Zn2+脱去全部溶剂化壳层并与电极表面直接接触。这种转变显著提高了锌沉积/剥离反应的动力学，并使得锌的氧化还原电位显著负移，有效提高了全电池的电压。

通过各类光谱，证实了IDs与Zn2+形成稳定的 IDs-Zn 络合物。核磁则揭示了Zn2+优先与单个羧酸根螯合后导致的对称性破缺。这种稳定的配位结构将游离水分子排除在Zn2+第一溶剂化层之外，有效抑制了HER和枝晶生长。并且通过原位拉曼测试，精确表征了锌配合物在界面处的外层电子转移机制。

计算结果表明，IDs-Zn 还原的吉布斯自由能远高于Zn(H2O)62+，说明 IDs 配体有效提高了锌离子还原能垒，使标准氧化还原电位向更负方向移动。此外，静电势分析显示 IDs-Zn呈强负静电势，具有亲核性和供电子能力，相比正静电势的水合 锌离子，能有效降低电极界面副反应的发生倾向。

基于这种螯合介导的电位调控机制，构建的高压中性锌铁液流电池表现出优异的长循环稳定性：一方面，更负的锌沉积电位扩大了电池输出电压，另一方面，外球电子转移有效抑制了析氢、副产物生成和锌枝晶生长，因此电池在长期反复充放电过程中仍能保持较高的库伦效率，体现出该电解液体系在安全、稳定和实际储能应用方面的明显优势。

Chelation Mediated Outer‐Sphere Electron Transfer for High‐Voltage and Long‐Lifespan Neutral Zinc‐Iron Flow Batteries”

鄢俊敏教授简介：吉林大学教授，博士生导师，国家自然科学基金委“杰出青年基金”获得者，主要从事金属催化与能源材料研究。至今共发表SCI论文100余篇，包括Nat. Chem. 、Adv. Mater. 、Energy Environ. Sci.等，总被引超过21000余次，论文引用H因子为74。担任国际著名期刊Chem的顾问编委，先后主持国家优秀青年基金与杰出青年基金、科技部国家重点研发计划课题等多项重要科研项目，获第十八届中国青年女科学家奖，教育部“新世纪优秀人才”，连续6年入选科睿唯安全球高被引科学家，连续10余年获爱思唯尔“中国高被引学者”。

张霏霏研究员简介：吉林大学材料科学与工程学院研究员、博士生导师，吉林省中青年科技创新创业卓越人才团队带头人。主要从事高能量密度液流电池体系设计和关键材料的开发等研究。以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等国内外顶尖学术期刊上发表SCI论文30余篇，已获得国际专利3项。2025年入选美国斯坦福大学发布的“全球前2%顶尖科学家榜单”，担任Rare Metals、Carbon Neutrality青年编委。

王庆教授简介：新加坡国立大学材料科学与工程系教授，长期从事电化学和光电化学系统中介观电荷转移、传输的基础研究，及其在新型能量转换器件和储能装置中的应用研究。提出并发展了基于氧化还原靶向反应的新型高能量密度液流电池及相关的电化学储能与转换体系。