第一作者：侯翔宇
通讯作者：迟晓伟/刘宇
通讯单位：中国科学院上海硅酸盐研究所https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105506ensm.2026.105506
感谢中科院上海硅酸盐所刘宇/迟晓伟团队（第一作者：侯翔宇）供稿！
本文所用
一体化液流单电池测试系统（YTH-1）
由武汉之升新能源有限公司提供
《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》
1.分子设计构建六配位Fe–PDBS
研究团队以更大的丙二胺骨架作为主体，为多个配位支链提供更合适的空间取向；增加 N/O 配位位点，使 PDBS 能够充分包围 Fe 中心，形成六配位八面体状结构；引入羟甲基侧链调控 Fe 中心电子环境，推动负极氧化还原电位负移；同时利用磺酸基团提升强碱介质中的水溶性，并构筑带负电的分子界面。
FT-IR、Raman 与 XPS 共同证实了 Fe–N 和 Fe–O 配位键的形成，DFT 计算进一步揭示 Fe–PDBS 的六配位构型。与五配位 Fe–TEA 相比，Fe²⁺–PDBS 和 Fe³⁺–PDBS 均具有更大的 HOMO–LUMO 能隙，说明其电子结构更加稳定。磺酸基团带来的负电界面既可削弱 OH⁻在 Fe 中心附近的富集，也可与全氟磺酸膜形成 Donnan 排斥；多羟基和磺酸基团还使 Fe–PDBS 在强碱中的溶解度达到 1.236 M。
图1. Fe‑PDBS配合物的配体设计与结构稳定性表征。(a)基于Fe‑TEA配合物的传统全铁液流电池体系的反应机理及潜在问题（例如配体交叉和副反应）示意图。(b)采用Fe‑PDBS配合物的新型全铁液流电池体系的反应机理及潜在优势（例如抑制配体交叉、循环稳定性优异）示意图。(c)Fe‑PDBS配合物的傅里叶变换红外光谱。(d)三氯化铁原料、PDBS配体以及Fe‑PDBS配合物的拉曼光谱。(e)Fe‑PDBS配合物的氧1s X射线光电子能谱。(f)Fe‑TEA与Fe‑PDBS配合物的最高占据分子轨道‑最低未占分子轨道能级对比。(g)Fe‑PDBS和(h)Fe‑TEA的静电势分布。
2.Fe-PDBS热力学和动力学分析
循环伏安测试显示，Fe–PDBS 的氧化还原电位为 −1.122 V（vs. SCE），低于 Fe–TEA 的 −1.071 V；其析氢电位则负移至 −1.639 V，相比 Fe–TEA 的 −1.491 V 表现出更高的析氢过电位。由此，Fe–PDBS 的氧化还原反应与析氢反应之间形成 0.517 V 的稳定窗口，在提升全电池电压的同时降低析氢副反应风险。
进一步的旋转圆盘电极测试表明，Fe–PDBS 的扩散系数为 1.6 × 10⁻⁵ cm² s⁻¹，电子转移速率常数 k⁰ 达 1.14 × 10⁻³ cm s⁻¹，与 Fe–CN 正极处于同一数量级。尽管 Fe–PDBS 分子尺寸更大，其柔性骨架仍可降低 Fe²⁺/Fe³⁺转化过程中的结构重组阻力，从而保持快速反应动力学并减小电池极化。
图2 Fe‑TEA与Fe‑PDBS阳极电解液的电化学性能及热力学/动力学分析。(a) 循环伏安曲线。(b) 线性扫描伏安曲线。(c) 氧化还原电位与析氢电位对比。(d) 不同扫描速率下Fe‑PDBS阳极电解液的循环伏安曲线。(e) Fe‑PDBS阳极电解液氧化还原峰电流与扫描速率平方根的线性关系。(f) 不同转速下Fe‑PDBS阳极电解液的旋转圆盘电极极化曲线。(g) 用于计算扩散系数的Fe‑PDBS阳极电解液列维奇图。(h) Fe‑PDBS阳极电解液的库特茨基‑列维奇图。(i) Fe‑PDBS阳极电解液电子转移速率常数的拟合。
3.Fe–PDBS/Nafion/Fe–CN全电池测试
将 Fe–PDBS 负极与 Fe–CN 正极匹配后，所得碱性全铁液流电池的电压达到 1.375 V，在论文统计的已报道同类体系中处于最高水平。在 40–140 mA cm⁻²的电流密度范围内，电池保持良好的倍率性能；在 80 mA cm⁻²下，能量效率达到 82.02%。高工作电压与 Fe–PDBS 的快速电子转移动力学共同降低了能量损失。
在 100 mA cm⁻²下，0.1 M Fe–PDBS/Fe–CN 电池稳定运行 15,000 圈，平均库仑效率和平均能量效率分别为 99.96% 和 78.76%，循环后容量保持率为 93.27%，对应每圈容量衰减率仅 0.000448%。循环后电解液仍保持澄清，未观察到明显沉淀，表明 Fe–PDBS 能够在长期氧化还原过程中维持稳定配位。
图3. Fe–PDBS/Fe–CN碱性全铁液流电池的电化学性能。（a）Fe–PDBS和Fe–CN电解液的循环伏安曲线；（b）倍率性能；（c）不同电流密度下的充放电电压曲线；（d）在100 mA cm⁻²电流密度下的长循环性能；（e）本工作Fe–PDBS/Fe–CN电池与近期报道的碱性全铁液流电池在工作电压、容量保持率和循环次数方面的对比。Fe–PDBS电解液的浓度为0.1 M。
4.电池稳定分析
为解析容量衰减差异，研究进一步比较了 Fe–PDBS 与 Fe–TEA 体系的络合物稳定性和配体跨膜行为。Fe–TEA 体系循环后，负极碳毡表面 Fe 含量达到 12.56 wt%，说明络合物解离后释放的 Fe 发生沉积；相比之下，Fe–PDBS 电池在 15,000 圈后负极碳毡表面 Fe 含量仅为 2.39 wt%，印证了六配位结构对 Fe 中心的稳定保护。
渗透实验中，受体侧 PDBS 的浓度增长斜率仅为 0.042 mM h⁻¹，约为 TEA（0.1978 mM h⁻¹）的 21%。这种差异源于分子尺寸效应与Donnan 排斥的协同作用。循环后正极电解液的 ¹H NMR 进一步显示，Fe–TEA 体系出现了与 TEA 氧化产物相符的新信号，而 Fe–PDBS 体系未观察到明显的对应新信号。上述结果表明，稳定配位可减少游离配体产生，大尺寸和负电荷则进一步抑制其跨膜迁移，二者共同降低活性物质损失。
图4. 使用Fe‑PDBS与Fe‑TEA阳极电解液的AIFB电池稳定性及失效分析。(a) 碱性电解液中TEA与PDBS的静电势分布及分子尺寸。(b) 穿越测试过程中TEA和PDBS随时间变化的浓度。(c) 基于nafion膜测得的TEA、PDBS的渗透系数与配体选择性。(d) PDBS可能氧化产物的预测氢谱核磁共振图。(e) 分别采用PDBS、TEA阳极电解液循环后的Fe‑CN阴极电解液实测氢谱核磁共振图。
5.高浓度条件下的综合性能与低成本潜力
为评估体系的实用性能，研究组装了 0.5 M Fe–PDBS/Fe–CN 电池。该电池在 40–140 mA cm⁻²范围内的库仑效率接近 100%，并在 100 mA cm⁻²下实现 80.66% 的能量效率；在 100% SOC 时，峰值功率密度达到 381.51 mW cm⁻²。0.5 M 体系的理论能量密度为 9.21 Wh L⁻¹。
在 100 mA cm⁻²下，0.5 M 电池在无容量恢复操作的情况下稳定运行 18,000 圈，容量保持率为 82.11%，平均库仑效率和平均能量效率分别为 99.76% 和 68.54%，达到论文所汇总 AIFB 中最长的循环寿命。长期循环后能量效率下降主要来自电压极化增加，可能与微量 PDBS 在膜表面积累以及碳毡局部损伤有关。进一步提升至 0.7 M 后，电池在 1,000 圈后仍保持 97.60% 的容量，理论能量密度提高至 12.90 Wh L⁻¹。
材料成本估算显示，0.5 M Fe–PDBS/Fe–CN 电解液成本约为 111.23 美元 kWh⁻¹，约为文献报道传统全钒液流电池电解液成本（230 美元 kWh⁻¹）的 48%。这表明该体系在兼顾电压、寿命、效率和功率输出的同时，也具有良好的材料成本潜力。
