【2024年成果总结】（第二部）中科院大连化物所李先锋研究员2024年液流电池重点研究成果总结

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【2024年成果总结】（第二部）中科院大连化物所李先锋研究员2024年液流电池重点研究成果总结

中科院大连化物所李先锋研究员

2024年液流电池重点研究成果总结

（第二部）

作者简介

李先锋，研究员，博士生导师，现任中国科学院大连化学物理研究所副所长、储能技术研究部部长。国家杰出青年科学基金获得者，国家万人计划“科技创新领军人才”，享受国务院政府特殊津贴。长期从事电化学储能技术特别是液流电池储能技术的基础研究和产业化开发工作。获包括中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖和专利金奖(排名第1)、辽宁省技术发明一等奖(排名1)、中国科学院科技促进发展奖(排名1)、国家技术发明二等奖(排名3)，中国科学院杰出科技成就奖(排名2)、青山科技奖、科学探索奖等科技奖励。在Energy Environ. Sci., Angew.
Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater., Chem. Soc. Rev., Sci. Bull. 等杂志发表SCI论文300余篇，引用18000余次，H因子74。授权发明专利300余件，国际授权专利10余件。担任Chinese Chemical Letters、Advanced Membranes、Renewables副主编，Science Bulletin执行编委, J. Energy Chem.,
Sustainable Energy & Fuels (RSC), 储能科学与技术等杂志编委。作为项目负责人主持和负责了包括国家973计划项目、国家杰出青年科学基金、中国科学院先导A专项、国家自然科学基金以及与企业合作技术开发项目30余项。本文总结了李先锋研究员2024年度在液流电池领域的相关文章（第二部）。

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“中科院大连化物所李先锋研究员2024年液流电池重点研究成果总结”

（第一部）

文献总结

1. 通过恢复死锌来低成本实现锌基液流电池阳极液利用率达到99% （点击论文名称查看全文赏析）

锌基液流电池（ZFBs）被认为是大规模储能系统的有前景的候选者。然而，死锌和锌枝晶的形成使得ZFB通常以低阳极电解液利用率（AUR）运行，特别是在高面容量和电流密度下，限制了它们的应用。在这项研究中，香港城市大学支春义教授&大连化物所李先锋研究员团队开发了一种通过Zn-Bi₂O₃化学解决以上问题的有效策略。研究发现Bi₂O₃对死锌的电化学氧化可以快速恢复电池失去的容量。此外，还发现阳极电解液中饱和高价铋盐的存在有助于形成功能性的Bi和ZnBi合金界面，从而阻碍锌枝晶的生长。因此，含有Bi₂O₃的碱性锌铁液流电池（AZIFBs）即使在160 mA
cm⁻²下也能保持99%的阳极电解液利用率（AUR），是ZFBs在如此高的电流密度下报道的最高值。同时，AZIFBs还可以实现超过800小时的超高循环稳定性，平均库仑效率为99.6%，面容量为99.5 mAh cm⁻²。总体而言，这项研究为高能量密度和低成本、高AUR的ZFBs提供了有价值的见解，并促进了它们的发展。

2. 多溴化物的分子极性调节用于高性能低温锌溴液流电池 （点击论文名称查看全文赏析）

由于在低温环境中多溴化物的固化显著影响了锌溴液流电池（ZBFB）的电化学性能，限制了其在寒冷地区的广泛应用。本文中，中科院大连化学物理研究所李先锋研究员提出了两种独立使用的络合剂阳离子(正丙基–（2-羟乙基）–二甲基铵（N[1,1,3,2OH]⁺）和二乙基–（2-羟基乙基）–甲基铵（N[1,2,2,2OH]⁺）)，通过精确调节多溴化物的分子极性使ZBFBs在低温和室温下都能表现出优异的性能。得益于骨架上碳数量和位置的优化设计，与胆碱相比，N[1,1,3,2OH]⁺–和N[1,2,2OH]⁺–多溴化物的分子极性适当降低，有助于提高溴捕获能力。此外，它们羟基的分子间氢键效应并没有显著增强，从而确保形成的复合物在低温下保持良好的流动性。因此，具有单一络合剂的ZBFB不仅在室温下1600次循环中表现出＞95%的优异平均库仑效率，而且可以在-20℃下以40 mA cm^-2的高电流密度维持250次循环。

3. 钒液流电池用高稳定性侧链型Cardo聚芳醚酮膜 （点击论文名称查看全文赏析）

钒液流电池（VFB）作为新兴的大规模储能系统（ESS）技术，受到了广泛关注。然而，其面临的关键挑战之一是离子交换膜（ICM）的选择性、高质子电导率及在严苛条件下的稳定性。为此，本研究采用“侧链型”策略制备了一种基于酚酞的卡多聚（芳烃醚酮）（PAEK）高稳定性膜，其具有较低的面电阻（0.058 Ω cm²）。其中，柔性烷基间隔基团有效缓解了末端离子交换基团的感应吸电子效应，从而确保了骨架的稳定性。基于含有季铵化烷基侧链的PAEK（Q-PPhEK）组装的VFB，在160 mA/cm²的高电流密度下，经过700次循环仍能保持80%以上的能量效率。这一显著结果表明，“侧链型”策略能够有效提高ICM在强氧化环境下的稳定性，同时，该设计还可用于开发更多稳定的ICM，以推动VFB的发展。

4. 多电子转移反应实现的电网级无腐蚀锌溴液流电池

水系液流电池因其固有的安全性和可扩展性，被认为是储存间歇性可再生能源的最具竞争力技术之一。其中，锌/溴液流电池（Zn/Br FB）因其较高的理论能量密度（>500 Wh L⁻¹）和低成本（ZnBr₂电解液价格低于10美元/kg）而备受关注。然而，目前的大规模Zn/Br FB存在较短的使用寿命，并且在充电过程中会在正极电解液中生成腐蚀性和挥发性的溴（Br₂）。本研究通过在正极电解液中引入溴捕获剂，有效降低了游离Br₂的浓度至可接受水平（~7 mM），从而适用于电网级储能系统。所采用的捕获剂–亚磺酰胺钠（SANa）能快速与Br₂反应，生成温和的产物N-溴代亚磺酰胺钠（Br-SANa，Br⁺）。Br-SANa/Br⁻在氧化还原过程中经历双电子转移反应（Br⁺/Br⁻），从而提升了电池的能量密度。基于该体系，与锌负极配对后，所得Zn/Br FB可实现无腐蚀运行，能量效率（EE）高达82%，且在40 mA cm⁻²的电流密度下，其能量密度（170 Wh L⁻¹）远超传统Zn/Br电池（90 Wh L⁻¹），循环寿命（>600次）相比传统系统（<30次）大幅提升。此外，基于这一新型溴氧化还原反应，作者成功构建了一套大规模电池系统（5 kW/6.6 kWh），其能量效率达到78%。

5. 高分子稳定性多环叠氮（PA）衍生物用于长寿命水系有机液流电池（AOFB） （点击论文名称查看全文赏析）

具有多样性和高度可调结构的可溶性有机分子作为水系有机液流电池（AOFB）的氧化还原活性材料越来越受到关注。然而，氧化还原活性分子的不良寄生反应限制了它们的实际应用。中科院大连化学物理研究所李先锋团队提出一种通用的分子稳定策略，即通过在多环嗪衍生物（吩噻嗪和吩恶嗪化合物）的3,7位引入氨基，有效提高分子的氧化还原活性和电化学稳定性。理论计算和一系列电化学分析表明3，7-取代氨基作为氧化还原活性位点可以通过在酸性溶液中离域电子密度来稳定中间自由基，防止亲核/亲电攻击。因此，所设计的3,7-双–（2-羟乙基）（甲基）氨基）吩噻嗪-5-溴化铵不仅在电池中实现了优异的电化学循环性能，在18000个循环（62天）中具有0.00029%的超低容量衰减率，而且在工作环境下提供了47 Ah L⁻¹的高稳定容量（容量衰减0.0056%，0.077%）。

6. 四电子转移芘-4,5,9,10-四酮衍生物实现的高能量密度水系有机液流电池 （点击论文名称查看全文赏析）

多电子转移分子在提高水系有机液流电池的能量密度和降低成本方面具有巨大的潜力。然而，增加氧化还原活性位点和稳定多电子反应所需的扩展共轭单元总是会降低分子极性，限制其在电解液中的溶解度。在此，中科院大连化物所李先锋团队提出了一种不对称的芘-4,5,9,10-四酮-1-磺酸（PTO−PTS）单体，不仅可以可逆地储存四个电子，而且具有4.0 M的高理论电子浓度和热稳定中间体半醌自由基。因此，基于PTO−PTS的AOFB显示了59.6 Wh L⁻¹（89 AhL⁻¹基于正极）的高能量密度，经过5200次循环（60天）仍具有接近100%的超稳定容量保持率。此外，热稳定的PTO−PTS结构进一步使对称和全电池在60°C下实现了1000多次循环的显著循环耐久性。

7. 提高3-羟基吩噻嗪衍生物的活性和稳定性用于有机液流电池 （点击论文名称查看全文赏析）

水系有机液流电池（AOFB）因其资源丰富、可调性高的特点，是最有前景的固定式储能技术之一。吩噻嗪具有稳定的共轭结构，被认为是AOFBs最有潜力的阴极电解液之一。然而，吩噻嗪的高度共轭结构降低了分子极性，亲水性差，使得实现高容量和能量效率变得具有挑战性。本文，中科院大连化物所李先锋&张长昆团队介绍了一类新的3-羟基吩噻嗪衍生物，通过引入亲水性叔铵基团提高了活性物质的溶解度（1.8M）和调节了氧化还原反应行为。该团队设计的基于7-溴-2,4-二甲氨基亚甲基-3-羟基吩噻嗪（BDAHP）的电池不仅表现出超稳定的循环性能（对称电池超过10000次循环，每次循环的容量衰减率为0.00048%），而且实现了82.3%的高能量效率（0.5M，80 mAcm^-2）。此外，该电池在1.7 M的高浓度下显示出高放电容量（82 Ah L⁻¹）和宽温度适应性（-15-60°C）。

8. 以三甲基溴化亚砜为络合剂的长寿命锌溴单液流电池 （点击论文名称查看全文赏析）

水系锌溴单液流电池（ZBSFBs）因其安全性、低成本和相对较高的能量密度，在分布式储能系统中具有很好的应用前景。然而，ZBSFBs有限的使用寿命不利于其大规模商业发展。中科院大连化物所李先锋团队将三甲基溴化亚砜（TMSO）引入电解液中作为溴络合剂，通过减少活性物质的不平衡来延长ZBSFBs的循环寿命。得益于TMSO和H₂O之间的强相互作用，与传统的N-乙基-N-甲基溴化吡咯烷（MEP）络合剂相比，析氢反应得到了显著抑制，从而减少了阴极处的溴积累。由此产生的固体多溴-TMSO络合物具有快速的Br₂/Br⁻电化学氧化还原反应，进一步有助于减少残留的溴。因此，与MEP相比，带有TMSO的ZBSFB的寿命更长，为1500次循环，平均能量效率（EE）更高，约为81.6%（相比而言，含MEP的ZBSFB循环寿命小于300个循环，平均EE仅为80.2%）。

论文列表

[1] Wang, S., Li, T., Yuan, C., Zhu, J., Li, P., Zhang, S., … & Zhi,
C. (2024). Realizing an anolyte utilization rate of 99% in low-cost zinc-based
flow batteries by rejuvenating dead zinc.Energy & Environmental
Science, 17(19), 7155-7164.

[2] Zhao, M., Cheng, T., Li, T., Wang, S., Yin, Y., & Li, X. (2025).
Molecular polarity regulation of polybromide complexes for high-performance
low-temperature zinc–bromine flow batteries.Energy & Environmental
Science, 18(1), 378-385.

[3]Zhao, Z., Dai, Q., Huang, S., Lu, W., Chen, Y., Zheng, J., … & Li, X.
(2024). Highly stable side-chain-type cardo poly (aryl ether ketone) s
membranes for vanadium flow battery. Chinese Chemical Letters, 35(3),
109231.

[4]Li, X., Xu, Y., Li, T., Peng, Z., & Xie, C. (2024). Grid-scale
Corrosion-free Zn/Br Flow Batteries Enabled by Multi-electron Transfer
Reaction.

[5]Zhang, M., Li, T., Liu, X., Zhang, C., & Li, X. (2024). Molecular
Revealing the High‐stable Polycyclic Azine Derivatives for Long‐Lifetime
Aqueous Organic Flow Batteries. Advanced Functional Materials, 34(12),
2312608.

[6]Ge, G., Mu, C., Wang, Y., Zhang, C., & Li, X. (2025).
Four-Electron-Transferred Pyrene-4, 5, 9, 10-tetraone Derivatives Enabled
High-Energy-Density Aqueous Organic Flow Batteries. Journal of the
American Chemical Society.

[7]Zhang, M., Mu, C., Li, T., Zhang, C., & Li, X. (2025). Boosting the
Activity and Stability of 3‐Hydroxyphenothiazine Derivatives for Aqueous
Organic Flow Batteries. Advanced Energy Materials, 2404813.

[8]Zhao, M., Cheng, T., Li, T., Xie, C., Yin, Y., & Li, X. (2025). A
Long‐Life Zinc‐Bromine Single‐Flow Battery Utilizing Trimethylsulfoxonium
Bromide as Complexing Agent. Small Methods, 2401434.

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