铁基液流电池获关键突破：6000次循环零容量衰减，理论使用寿命超16年

本文来自微信公众号： 环球零碳 ，编辑：小澜，作者：环球零碳研究中心

在全球推进构建以可再生能源为核心的新型电力系统过程中，如何安全、低成本地实现电力的长时间存储与稳定输出，始终是能源领域亟待突破的核心课题。

在目前主流的锂离子电池储能路线之外，越来越多科研人员开始将目光转向地壳储量极其丰富的铁元素，基于铁开发新型储能技术。

铁不仅原料价格低廉、对环境友好，本身电化学活性充足，完全满足电化学储能的基本要求，碱性全铁液流电池也因此成为长时储能赛道的热门技术方向。

这类电池拥有循环寿命长、本质安全不燃烧、功率与容量可独立设计的突出优势——如果需要提升储能规模，只需要增大储液罐的体积即可，这些特性完美匹配了电网级长时储能的应用需求。

和主流锂电池相比，目前铁的市场价格仅为锂的八十分之一，全铁液流电池也被不少业内人士看做储能领域极具潜力的下一代技术路线。

不过，这项技术至今未能实现大规模产业化应用，核心原因是现阶段还存在多个难以解决的技术瓶颈。

铁活性物质电化学可逆性差、容易分解、配体易跨膜渗透等问题，都严重限制了铁基液流电池的循环寿命，拖慢了其产业化的脚步。

近日，中国科学院金属研究所的科研团队在全铁液流电池领域取得了重要技术进展。

研究团队选择从分子层面对铁配合物重新设计，成功开发出一款全新的电解液，彻底解决了长期困扰铁基液流电池发展的活性物质易分解、配体交叉污染两大核心问题。

测试结果显示，使用新型电解液的碱性全铁液流电池完成6000次充放电循环后没有出现任何容量衰减，如果按照每天一次充放电计算，该电池可以连续稳定运行16年不发生衰减，相关研究成果已经发表在国际期刊《Advanced Energy Materials》上。

此前，铁基液流电池最大的技术痛点出在负极一侧的阳极液上：在碱性环境中，铁离子天生更容易和氢氧根结合，最终生成氢氧化铁沉淀。

这些沉淀就像人体血管里的血栓，不仅会造成活性物质的永久性损失，还会堵塞电极的孔道，直接导致电池失效报废。

早期研究人员曾经尝试使用三乙醇胺这类有机小分子作为配体，用来“包裹”铁离子形成络合物，以此阻挡氢氧根的进攻。

这类小分子络合物相当于给铁离子套了一层盔甲，确实把电池的循环寿命从数周提升到了数月，最高能够达到250次左右的循环水平。

但即便如此，这层“盔甲”的防护能力依然不足：在长期反复充放电的过程中，小分子配体形成的络合物结构松散、配位数低，氢氧根依然可以突破防护攻击到内部的铁离子，产生沉淀。

图说：i)展示了氢氧根能够突破小分子络合物的防护攻击铁离子的过程

更难解决的是，这类小尺寸的络合物和游离配体还会在浓度差的推动下，穿过隔膜渗透到电池正极一侧。

这种“交叉污染”会不可逆地消耗正负极两侧的活性物质，导致电池容量不断衰减，最终无法使用。

后续各国研究人员设计过多种新型配体，把全铁液流电池的循环寿命逐步提升到了1000次甚至2000次，但距离电网储能要求的十年以上稳定运行，依然存在不小的差距。

此次中科院金属所的研究团队从上述核心矛盾入手，提出了一套全新的协同分子设计思路。

团队的核心思路是：既然问题出在络合物结构不稳定、分子尺寸小容易穿膜，那就从分子结构源头给铁络合物加上双重防护——足够大的空间位阻，再加一层负电荷保护界面。

具体来说，研究人员精心挑选了两种富含氧、氮元素的多齿有机配体，一种是体积大、带有大量羟基和磺酸基的HPF，另一种是同样富含官能团的BHS，让两种配体共同和三价铁离子配位，构建出了一种全新的铁络合物。

图说：HPF和BHS配体结构示意图

在这个体积庞大的全新络合物中，铁离子被多个配位键牢牢固定，形成了高配位数的致密结构，就像核心球体被多层钢索紧紧绑定，稳定性大幅提升。

分子动力学计算结果显示，络合物周围水分子的配位数出现了明显下降，说明氢氧根离子已经被物理阻挡在络合物外部，很难接触到核心的铁离子。

同时，络合物表面的磺酸基和羟基，还在其外围构建出了一层均匀的负电荷云。

这层负电荷一方面通过道南排斥效应进一步增强了对氢氧根的静电阻挡；另一方面，这层负电荷和铁基液流电池常用的Nafion膜表面的磺酸基团属于同种电荷，会产生静电排斥作用，让络合物和未结合的游离配体穿过隔膜的扩散速率下降了两个数量级，从源头上解决了交叉污染问题。

理论设计需要实验验证，傅里叶变换红外光谱、核磁共振波谱以及X射线光电子能谱等多项表征结果，都一致证明铁离子和两种配体已经形成了牢固的配位结构。

更惊喜的是，新型络合物的析氢电位出现了显著负移，说明充电过程中很难发生水分解的副反应，不会白白消耗电能，从根本上保障了电池的充放电效率。

研究人员将这款新型阳极液和已经十分成熟的亚铁氰化钾阴极液搭配，组装出完整的全铁液流电池后，获得了十分亮眼的性能数据。

在80mA/cm²的电流密度下，电池的平均库仑效率达到了99.4%；即便在150mA/cm²的高电流密度下，电池的能量效率依然稳定保持在78.5%。

这意味着几乎没有电能被浪费，绝大部分充电得到的电能都被转化为化学能存储，并成功释放输出。

最突出的还是它的循环寿命表现：在80mA/cm²电流密度下连续完成超过6000次充放电循环后，电池没有出现沉淀、也没有副产物累积，容量保持率达到了100%，没有任何可检测到的容量衰减，性能远超此前所有公开报道的结果。

按照这个循环稳定性推算，如果每天完成一次充放电，这款电池可以稳定工作超过16年不出现性能衰减。

做个直观对比：普通消费电子产品用的锂离子电池循环寿命通常在500次左右；新能源汽车所用的三元锂电池理论循环寿命大约在2000-2500次之间，远低于这款新型全铁液流电池的水平。

研究人员对完成循环后的电池进行光谱分析发现，正极液中几乎检测不到来自阳极的配体成分，只有极其微量的游离配体存在，完全不会对电池系统造成损伤。

而在传统的全铁液流电池体系中，配体分子很容易穿透隔膜进入正极，并且在正极的高电位环境下被氧化降解，生成一系列含醛基、酮基的有害副产物，一步步造成电池容量衰减。

这项成果的价值不只是创造了全铁液流电池长循环的新纪录，更重要的是它提出了一套普适性的铁络合物分子设计方法，为碱性全铁液流电池的实用化发展指明了关键方向。

科技期刊《Interesting Engineering》的记者评价称，这项技术对于电网级长时储能来说是一项突破性进展，不仅能够降低储能系统的全生命周期成本，还能保障储能系统十多年的稳定可靠运行。

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参考资料

[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