重磅突破！国能集团科研总院杨家辉、北化孙振宇教授团队Nat. Commun.：通用络合剂策略，赋能高性能铁-铈液流电池实现超长循环

第一作者：杨家辉

第一作者单位：北京化工大学、国家能源集团科学技术研究总院（低碳院）

通讯作者：孙振宇&唐奡&谭心怡

通讯单位：北京化工大学&中国科学院金属研究所&北京理工大学

大规模储能技术是破解可再生能源间歇性难题的关键支撑，液流电池（RFBs）凭借固有安全性、功率与能量容量可独立调控、长生命周期等突出优势，成为大规模固定式储能领域的潜力技术。目前，全钒液流电池（VRFB）商业化程度最高，但全球钒资源分布不均、价格波动大，制约了规模化推广。Fe元素成本低、环境友好，但传统Fe基电池需在强酸碱条件下运行，存在设备腐蚀、析氢等问题。虽然后期通过有机配体配位实现了全可溶性Fe基液流电池，但小分子配体易跨膜反应，导致活性物质沉淀、容量衰减等新难题。因此，开发能在正负极电解液中高效稳定工作的“通用络合剂”，成为突破瓶颈的关键。

北京化工大学孙振宇团队联合国家能源集团科学技术研究总院（低碳院）、中国科学院金属研究所等多家单位合作，成功开发出基于通用络合剂二乙烯三胺五乙酸（DTPA）的高性能Fe-Ce氧化还原液流电池。通过分子动力学模拟筛选出的DTPA，可同时高效络合负极侧的Fe和正极侧的Ce，不仅提升了二者的电化学活性与稳定性，还因两侧使用相同配体，显著降低了配体穿梭和水迁移问题。该电池在40 mA cm^–2电流密度下能量效率达87.7%，循环500次后容量保持率达95.3%，在80 mA cm^–2高电流密度下可稳定运行1779次，为高性能、低成本液流电池研发提供了全新思路。

研究团队通过分子动力学模拟（MD）和密度泛函理论（DFT）计算，系统筛选了含不同数量羧基的配体。结果显示，含5个羧基的DTPA虽分子尺寸较大，但电子给体能力极强，与Fe和Ce离子均能形成最紧密的配位结构，其结合能在所有候选配体中最低，络合物热力学稳定性最高。实验表征证实，DTPA成功取代水分子进入金属离子第一配位层，形成稳定络合物，且Fe-DTPA和Ce-DTPA具有更优的电子转移能力。

Fe-DTPA和Ce-DTPA在中性水溶液中的最大溶解度分别达0.858 M和0.927 M，为高能量密度电池设计奠定基础。二者在不同浓度下的粘度和电导率变化趋势高度相似，能显著降低泵送损失，缓解水分子跨膜迁移。更重要的是，DTPA与金属离子络合后形成的庞大分子结构，产生空间位阻效应，有效阻碍活性物质跨膜，交叉污染可忽略不计。

Fe-DTPA和Ce-DTPA在pH = 4 ~ 9范围内均保持较好电化学活性，中性条件（pH = 7）为最佳工作窗口。在此条件下，二者展现出高度可逆且对称的氧化还原峰，赋予全电池约0.92 V的理论电压。游离DTPA配体具有宽电位窗口，电池电化学窗口主要由两个金属络合物电对决定。经500圈连续CV循环测试，电解液的氧化还原峰电流和电位均无明显衰减，稳定性卓越。

该电池在40-120 mA cm^–2 宽电流密度范围内稳定充放电，40 mA cm^–2 时能量效率高达87.7%，100 mA cm^–2 时仍保持80.6%，库伦效率接近100%。80 mA cm^–2、70% SOC下可稳定运行1779次，容量几乎无衰减。由5个单电池串联组成的电堆，活性面积14.5 × 7.5 cm²，80 mA cm^–2下能量效率达80.8%，具备良好放大能力。

该研究提出的“通用络合剂”设计理念，为解决液流电池配体穿梭、电解质失衡等关键问题提供了有效范式。未来，可进一步探索更多高性能通用络合剂，优化电解质配方，提升电池能量密度与循环寿命。同时，针对不同应用场景，推进电池体系的规模化生产与工程化应用，助力可再生能源的高效利用与储能行业的快速发展。

Jiahui Yang, Wei Wei, Chengxi Zhou, Xinyi Tan, Tai-Sing Wu, Yi Zhang, Yun-Liang Soo, Molly Meng-Jung Li, Alex W. Robertson, Ao Tang & Zhenyu Sun. Universal complexing agent enabling advanced iron-cerium redox flow batteries. Nature Communications(2025).

孙振宇教授简介：

杨家辉，2025年博士毕业于北京化工大学，国家能源集团科学技术研究总院（低碳院）研发人员。主要致力于液流电池器件设计，电解液、电极材料的设计及反应机理研究。迄今在以第一作者在Nat.Commun.、Angew.Chem.等期刊发表论文7篇，申请专利22项（已授权10项），曾获国家奖学金、省优秀毕业论文、北京市优秀毕业生等荣誉。