我国科学家突破锌溴液流电池技术瓶颈 新型双电子反应体系实现1400小时稳定运行

溴基液流电池被视为面向大规模储能的重要技术路线之一。

其核心反应依托溴离子与溴单质的可逆氧化还原过程,具有资源获取相对广泛、电极电势较高、活性物质溶解度高等优势,理论上有利于实现更高能量密度和较低系统成本。

然而,现实应用中,一个长期困扰行业的关键瓶颈在于“寿命与成本的对冲”:电池在充电阶段会生成大量溴单质,溴具有强氧化性和腐蚀性,容易对集流体、电极、隔膜等关键部件造成损伤,循环寿命随之衰减。

为避免材料快速失效,系统往往需要采用更昂贵、更耐腐蚀的材料与复杂的防护设计,进一步推高全生命周期成本。

造成这一矛盾的根源在于反应路径与形态控制的局限。

传统体系中,溴离子向溴单质的转化属于常见的单电子转移过程,生成的溴单质在电解液中浓度升高后,不仅直接增强腐蚀性,还可能引发副反应与传质不均。

业内常用溴络合剂来降低游离溴活性,但络合过程容易形成分相结构,使电解液均匀性变差,系统运行的稳定性、泵送与管理复杂度随之上升,反而对规模化工程应用提出更苛刻的控制要求。

针对这一难题,中国科学院大连化学物理研究所研究员李先锋团队将突破口前移至“溴单质的生成与去向”这一源头环节,提出并验证一种新型溴基两电子转移反应体系。

研究通过在溴电解液中引入带吸电子基团连接结构的胺类化合物作为溴清除剂,使电化学过程中产生的溴单质能够进一步转化为溴代胺类化合物,从而将溶液中游离溴维持在超低水平。

与传统单电子路径相比,该体系实现了从溴离子向更高价态活性物种(以溴代胺化合物形式体现)的两电子转移,在降低腐蚀性的同时,也为提高能量密度打开了新的化学窗口。

这一变化带来的影响是多维度的。

其一,游离溴浓度显著降低,电解液整体腐蚀性随之减弱,电池关键材料的失效风险下降,有望延长循环寿命并改善可靠性。

其二,两电子转移反应在单位活性物质对应的电子数上实现提升,为提高体系能量密度提供了路径,有利于减少储液体积与系统占地,进而改善工程经济性。

其三,低腐蚀环境意味着对高成本耐腐蚀材料的依赖有望降低,为“以更普惠材料实现更长寿命”的工程化选择创造空间。

在对策与验证层面,团队进一步将该反应体系用于锌溴液流电池,开展从机理到系统的逐级验证。

实验显示,即使采用成本更低、耐腐蚀性相对一般的SPEEK(磺化聚醚醚酮)膜,电池仍能实现长期稳定运行。

更具工程意义的是,在5kW级系统放大测试中,该电池在40mA·cm-2工况下稳定运行超过700个循环,总寿命超过1400小时,能量效率超过78%。

循环前后对集流体、电极与隔膜等关键部件的观察显示未出现明显腐蚀迹象,从系统层面进一步佐证了电解液腐蚀风险被有效抑制。

面向前景,长时储能需求持续增长,电力系统对安全、耐久、可维护的储能技术提出更高要求。

溴基液流电池若要走向更广泛应用,必须在寿命、效率、材料成本与运维复杂度之间实现更优平衡。

此次两电子转移新体系提供了一条值得关注的方向:通过反应路径再设计,将腐蚀问题从“材料硬扛”转为“化学抑制”,并在系统放大中给出可量化的寿命与效率指标。

下一阶段,围绕反应可逆性与副产物控制、长期运行下电解液成分稳定性、关键原材料的供应与成本、以及更高功率密度工况下的性能保持等问题,仍需进一步评估与优化,以推动从概念验证走向规模化示范与标准化应用。

科技创新是推动能源转型的根本动力。

中科院大连化物所在溴基液流电池技术领域的重大突破,不仅体现了我国在储能技术领域的创新实力,更为全球能源转型提供了中国方案。

随着这一技术的不断完善和产业化推进,有望为构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系贡献更大力量,推动我国在新能源储能技术领域实现更大突破。