第一作者：陈倩如
通讯作者：乔世璋&郝俊南
通讯单位：阿德莱德大学
工作简介
阿德莱德大学乔世璋院士团队在水系多硫化物液流电池中首次将bislawsone（双指甲花醌）作为氧化还原介体引入体系，有效破解了长期以来限制多硫化物应用的还原动力学迟缓难题。与传统依赖固体催化剂的策略相比，bislawsone以均相介体形式参与反应，大幅提升反应速率，从而显著优化电池整体性能。该体系实现了高达90.29%的能量效率和95.75%的容量利用率（未添加bislawsone时仅为0.44%）。同时，在连续运行2200次循环后，电池仍可维持初始能量效率的92.43%，展现出当前水系多硫化物液流电池领域中的先进水平。通过原位电化学阻抗谱（EIS）分析，研究人员进一步验证了反应动力学的显著增强：体系的电荷转移电阻由172.3 Ω显著降低至24 Ω以下。结合实验结果与理论计算，从分子尺度揭示了其内在机制——bislawsone通过“锚定–拖拽（anchor–drag）”作用促进S–S键断裂，从而有效降低反应能垒。此外，多硫化物还能对bislawsone的还原态起到稳定作用，缓解其对空气敏感的问题。实验结果表明，在满电状态下静置一周后，电池自放电率仅为12.19%；而在缺乏多硫化物的条件下，单独的bislawsone体系在约2小时内即发生明显失效。
相关成果以“Bislawsone as a Robust Redox Mediator for High-Performance Aqueous Polysulfide Redox Flow Batteries”为题发表在Joule期刊上。
感谢阿德莱德大学乔世璋院士团队（第一作者：陈倩如）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
研究背景
水系液流电池凭借其优异的本质安全性、超长循环寿命以及功率与容量可独立调控的结构特征，被认为是实现大规模储能的重要技术方向。然而，目前商业应用最成熟的全钒液流电池仍面临钒资源成本高、供应波动等现实制约，因此开发资源储量更丰富、经济性更优的新体系已成为当务之急。
在诸多替代方案中，硫基电化学体系逐渐成为研究热点。其中，多硫化物氧化还原对（S42⁻/S22⁻）的电极电位约为 −0.4 V，使其在负极应用中具有一定优势。然而，该体系的核心问题在于S42⁻还原过程反应缓慢，即便在20 mA cm⁻2的电流密度下，仍会出现超过0.5 V的显著极化。现阶段的改进策略主要依赖于固体催化剂（例如钴基材料或金属硫化物）以促进反应，但其效果受限于有限的活性位点以及多硫化物在电极表面的传质限制。此外，多数相关体系在不更换电解液的条件下循环寿命通常难以突破400次。尽管近期引入的核黄素均相催化体系在一定程度上改善了动力学性能，但仍存在副反应明显和长期稳定性不足等问题。
相较而言，bislawsone的氧化还原电位与多硫化物体系较为匹配，并且在碱性环境中表现出良好的化学稳定性和较快的电子转移动力学。然而，其还原态容易受到空气氧化的影响，导致以其作为活性物质的体系通常需要在惰性气氛下运行，这在实际应用中增加了复杂性。
针对上述挑战，该工作提出将bislawsone作为氧化还原介体引入多硫化物液流电池中。该策略不仅显著提升了多硫化物反应的动力学速率，同时利用多硫化物对bislawsone还原态的快速再氧化作用，有效抑制其与空气反应，从而实现电池在空气条件下的稳定运行。
研究内容表述
1.bislawsone和多硫化物的反应机理
研究人员首先利用拉曼光谱证明，还原态bislawsone能够与S42⁻发生相互作用。进一步结合循环伏安（CV）测试结果，表明bislawsone在电极与多硫化物之间发挥氧化还原中介作用，从而实现电子的快速传输。通过在不同温度、浓度及扫描速率条件下系统开展CV实验，并结合阿伦尼乌斯方程进行分析，结果显示该分子能够显著降低多硫化物还原反应的活化能。
在此基础上，研究团队借助量子化学计算，从分子层面进一步揭示其作用机理：还原态bislawsone通过“锚定–拖拽（anchor–drag）”机制与多硫化物发生相互作用，促进S–S键断裂，从而有效降低反应能垒。同时还发现，S42⁻对bislawsone的氧化速率明显快于其在空气中的氧化过程，这一特性能够抑制由空气引发的降解反应，使电池体系在空气环境下依然具备良好的运行稳定性。
图1 Bislawsone作为氧化还原介体的可行性验证。
(A)双指甲花醌与Na2S4的循环伏安曲线；(B)双指甲花醌溶液、还原态双指甲花醌溶液及还原态双指甲花醌与Na2S4混合溶液的拉曼光谱；(C)室温下1mM双指甲花醌、1M Na2S4及其混合溶液的循环伏安曲线；(D)25℃下含1mM双指甲花醌与不同浓度Na2S4混合溶液的循环伏安曲线；(E)Na2S4与还原态双指甲花醌逐级反应的能量图；(F)反应机理示意图；还原态双指甲花醌溶液在(G)滴加Na2S4溶液及(H)暴露于气流时的颜色变化
2.原位 EIS 与拉曼揭示动力学变化
在静态电池测试中，加入bislawsone后，体系在不同电流密度下均表现出稳定且较高的容量利用率与能量效率；而未引入该介体的体系则随着电流密度增加，容量利用率和能量效率均明显下降。原位电化学阻抗谱（EIS）分析进一步显示，bislawsone能够显著降低多硫化物还原过程中的电荷转移阻力，使其由172.3 Ω降至24 Ω以下。与此同时，原位拉曼光谱结果表明，bislawsone在反应过程中确实以氧化还原介体的形式参与其中，并为“锚定–拖拽（anchor–drag）”作用机制提供了直接的实验支持。
图2静态电池倍率性能和原位EIS测试
(A)不同电流密度下含/不含双指甲花醌电池的放电容量与库仑效率(CE)；电池在不同速率下的充放电曲线：(B)不含双指甲花醌时，(C)含双指甲花醌时；原位EIS及电池完整循环过程中弛豫时间分布(DRT)曲线：(D)不含双指甲花醌时，(E)含双指甲花醌时
图3原位拉曼检测和静态电池循环性能测试
不同电解质组成电池的原位拉曼光谱：(A)500μL 25 mM双指甲花醌-1M NaOH||400μL 0.5M K4[Fe(CN)6]-1M KCl；(B)500μL 1M Na2S4-1MNaOH||400μL 0.5M K4[Fe(CN)6]-1M KCl；(C)500μL 25mM 双指甲花醌-1M Na2S4-1M NaOH||400μL 0.5M K4[Fe(CN)6]-1M KCl；(D)含/不含25mM双指甲花醌的500μL 1M Na2S4-1M NaOH||400μL 0.5M K4[Fe(CN)6]-1M KCl电池的循环性能；(E)第2000次循环时的充放电曲线
3.液流电池性能验证
在引入bislawsone后，液流电池在10 mA cm⁻2条件下的极化显著降低，约为原体系的六分之一，同时能量效率提升至90.29%。当电流密度提高至60 mA cm⁻2时，容量利用率由仅0.44%跃升至95.75%，整体性能明显优于当前多数依赖固体催化剂的硫基液流电池体系。进一步的循环测试表明，该电池在运行2200次后仍能维持92.43%的能量效率，展现出优异的稳定性与竞争力，在同类体系中处于领先水平。
图4液流电池性能
在不同电流密度下的充放电曲线：5mL 1M Na2S4-1M NaOH||10mL 0.5M K4[Fe(CN)6]-1M KCl电池在(A)无50mM双指甲花醌时与(B)含50mM双指甲花醌时的对比；(C)双指甲花醌-Na2S4||K4[Fe(CN)6]电池在不同电流密度下的容量利用率与100%SOC下固态催化剂体系的对比；(D)添加50mM双指甲花醌前后5mL 1M Na2S4-1M NaOH||5mL 0.5M K4[Fe(CN)6]-1M KCl电池的循环性能；(E)充放电曲线演变过程；(F)5mL 50mM双指甲花醌-1M Na2S4-1M NaOH||5mL 0.5M K4[Fe(CN)6]-1M KCl电池的循环性能；(G)与其他无需电解液更新的水性S42⁻/S22⁻ RFBs循环后能量效率保留率的比较
4.多硫化物稳定bislawsone
由于还原态bislawsone能够快速将电子传递给S42⁻，因此在体系中不易被空气氧化或发生降解。在空气条件下进行低倍率测试时，仅含bislawsone的电池出现了明显的容量快速衰减；而在引入多硫化物后，体系则始终保持稳定的电化学表现。自放电实验进一步验证了这一点：纯bislawsone体系在约2小时内即失去工作能力，而含多硫化物的电池在静置一周后仍能保留87.81%的容量，显示出显著提升的储能稳定性。
图5 空气稳定性测试
电池空气稳定性测试结果：双指甲花醌||K4[Fe(CN)6]电池在(A)空气环境与(B)氮气环境中的不同倍率容量及CE；(C)含1M Na2S4的双指甲花醌电池在空气环境中的不同倍率容量及CE；双指甲花醌电池在(D)空气与(E)氮气环境中的自放电性能评估；(F)含1M Na2S4的双指甲花醌电池在空气环境中的自放电性能评估
核心结论
本研究通过引入bislawsone，成功打破了多硫化物液流电池长期存在的动力学限制，实现了能量效率、容量利用率与循环寿命的同步提升。同时，多硫化物对bislawsone还原态的稳定作用，使体系能够在空气环境中保持稳定运行，从而克服了有机电活性物质易受空气影响的关键难题。该成果不仅为硫基液流电池体系提供了新的设计策略，也为开发兼具高性能、低成本与可规模化应用潜力的储能技术奠定了重要基础。
文献详情
QianruChen, Yilong Zhu, Shao-Jian Zhang, Xun Zhao, Zhihao Tian, Junnan Hao, Shi-Zhang Qiao, Bislawsone as a robust redox mediator for high-performance aqueous polysulfide redox flow batteries, Joule, 2026.
https://doi.org/10.1016/j.joule.2026.102362