在全球能源转型加速、可再生能源大规模并网的背景下，低成本、长寿命、高安全性的长时储能技术成为刚需。碱性全铁液流电池因铁资源丰富、本质安全、功率容量可解耦，是大规模储能的理想选择，但传统铁基负极液存在电化学可逆性差、活性物质易分解、配体跨膜渗透等问题，严重限制电池循环寿命与产业化应用。
近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心唐奡研究员、李瑛研究员团队攻克这一关键瓶颈，提出高空间位阻与负电荷界面协同设计策略，成功研发出超稳定铁配合物负极电解液，让碱性全铁液流电池实现6000次超长循环无容量衰减，相关成果发表于《Advanced Energy Materials》，特别研究助理魏巍为论文第一作者。
团队从分子结构出发，以12种富含羟基、磺酸基的有机配体为基础，设计合成11种结构精准调控的铁配合物，经理论计算与多轮筛选，最终确定[Fe (HPF) BHS]⁴⁻双配体螯合负极液 （图1）。该配合物通过多齿强配位构筑大空间位阻结构，同时利用磺酸基与羟基形成负电荷界面，借助Donnan排斥效应实现双重保护：一方面有效阻挡氢氧根对铁离子中心的侵蚀，避免活性物质分解；另一方面显著降低活性物质与游离配体的跨膜渗透（图2），从根源解决电解液交叉污染与降解失效难题，全面提升电池长期运行稳定性。
性能测试显示，该新型电解液体系实现全面突破：在80mA・cm⁻² 电流密度下，电池稳定运行超6000次循环且容量无衰减，平均库仑效率达99.4%；150mA・cm⁻² 高电流密度下能量效率保持 78.5%，峰值功率密度达392.1 mW・cm⁻²；0.9M高浓度工况下仍可稳定循环2000次，能量效率达71.5% （图3）。多尺度表征证实，[Fe (HPF) BHS]⁴⁻可重塑铁离子溶剂化结构，配体渗透速率较传统体系降低两个数量级，6000次循环后无沉淀、无副产物累积，结构与可逆性保持完好（图4）。
本研究建立了全新的铁基电解液设计准则，大幅提升全铁液流电池寿命与经济性，为大规模储能提供低成本、长寿命解决方案，助力双碳目标与能源安全保障。
图1. 碱性全铁液流电池电解液活性物质设计筛选策略
图2. 碱性全铁液流电池负极活性物质电化学性能
图3. 碱性全铁液流电池电池性能
图4. [Fe (HPF) BHS]⁴⁻ 负极电解液活性物质失效机制
来源：中国科学院金属研究所
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