September 19, 2026

第一作者：刘常、董东方 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 DOI：10.1002/adma.74997 工作简介 配体设计是提升全铁液流电池电压、能量密度与循环稳定性的关键。该研究总结并提出了全铁液流电池配体的基本原则，并设计了一类乙二胺衍生物配体。通过配位官能团调控Fe²⁺/Fe³⁺电极电势，通过亲水改性和分子不对称性设计提高铁基络合物的溶解度，并利用六齿螯合与尺寸排阻效应提高循环稳定性。在此基础上，研究团队以乙二胺为骨架，设计了正极配体EDMB、负极配体HBED。设计组装的Fe-EDMB/Fe-HBED电池电压为1.32 V，可以稳定循环13000次；为了进一步提高电池的能量密度，设计了溶解度更高的负极配体SHBED，Fe-EDMB与Fe-SHBED的溶解度分别达到1.85与1.97M. Fe-EDMB/Fe-SHBED电池可以在正负极电解液浓度分别为1.5M与1.25M的条件下正常循环，是目前比容量与能量密度最高的全铁液流电池（分别为18.27Ah/L与21.01Wh/L）。该工作为全铁液流电池配体设计从“经验试错”走向“理性设计”提供了新的思路。 感谢中科院上海硅酸盐所刘宇/迟晓伟团队（第一作者：刘常）供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统（YTH-1/LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 【产品交付】武汉之升累计交付中科院上海硅酸盐所液流电池单电池近百台 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 水系液流电池具有安全性高、寿命长以及功率能量解耦等优势，是大规模长时储能的重要技术路线。与钒、铬等体系相比，铁元素储量丰富、成本低、环境相容性较好，因此全铁液流电池具有突出的资源与成本优势。然而，铁负极容易发生析氢和铁沉积，部分铁基络合物又存在溶解度不足、动力学缓慢或配体降解等问题，限制了电池电压、能量密度和循环寿命。 配体能够调控铁中心的电子结构、配位稳定性和溶液行为，是协同解决上述问题的核心。然而，由于缺乏配体设计的指导性原则，目前报道的用于近中性全铁液流电池的配体很少，而且中性全铁液流电池正极电解液（负极电解液）中现有的铁基络合物存在电极电位低（高）和溶解度不足（<1.5 mol L−1）的问题。这些问题导致电池工作电压和比容量较低，严重制约了中性全铁液流电池的能量密度（<9 Wh L−1），并阻碍了其实际应用与发展。因此，建立配体设计的指导性原则对于全铁液流电池的发展至关重要。 核心内容 1. 建立全铁液流电池配体的模块化设计原则 文章中有较大篇幅详细介绍配体设计的原则，这里仅作简单介绍。本研究将配体拆分为配位官能团、分子骨架和亲水基团三个功能模块。配位官能团直接决定铁中心的电子云密度、络合物稳定性及Fe²⁺/Fe³⁺电位；分子骨架承载配位官能团与亲水基团并决定螯合环的空间构型；亲水基团与分子不对称设计可以有效提高络合物的溶解度。对于正极，宜选择具有反馈π键的含氮芳香官能团，以提高Fe²⁺/Fe³⁺电位；对于负极，则可采用去质子化后给电子能力较强的含氧官能团，使电位向负方向移动。与此同时，多齿螯合和大尺寸配体能够减少配体解离与穿梭，提高电化学稳定性。 计算结果进一步表明，含氧配位官能团去质子化后具有更强给电子能力，可显著稳定高价态铁并降低氧化还原电位；吡啶等芳香含氮官能团具有反馈π键，可以降低铁上的电子云密度，更适合作为高电位正极配位官能团。基于这些规律，团队选用乙二胺作为亲水、可修饰的双齿骨架，并分别引入联吡啶、酚羟基和羧基等功能单元设计了一类乙二胺衍生物配体。 图1  全铁液流电池配体的模块化设计原则   2. 构筑高电位、高稳定性的正极铁络合物Fe-EDMB 正极配体EDMB在乙二胺骨架上引入两个联吡啶单元，可利用四个吡啶氮和两个烷基氮形成六齿配位。单晶X射线衍射表明铁中心处于稳定的六配位环境。Fe-EDMB的电极电势达到0.67 V（vs. SCE），高于全铁液流电池中常用的亚铁氰化物/铁氰化物体系。 Fe-EDMB在宽pH范围内保持稳定，100圈循环伏安曲线高度重合。旋转圆盘电极测试显示其电子转移速率较快。通过分子不对称设计，Fe-EDMB的水中溶解度达到1.85 mol L⁻¹，为构建高浓度正极电解液奠定了基础。 图2  Fe-EDMB的配位结构、局域结构表征及电化学性能   3. 设计低电位负极配体HBED并以磺化提升溶解度 负极配体HBED以乙二胺为骨架，引入酚羟基和羧基等强给电子基团，形成稳定的六配位Fe-HBED配合物。其电极电势为−0.65 V（vs. SCE），与Fe-EDMB形成约1.32 V的电位差。Fe-HBED同样表现出良好的循环伏安重现性和较快的反应动力学。 图3  Fe-HBED的配位结构、局域结构表征与电化学性能   4. 实现高电压、长寿命的近中性全铁液流电池 Fe-EDMB与Fe-HBED的稳定pH区间显著重叠，使二者能够在近中性电解液中分别作为正、负极活性物质。所构建电池的开路电压达到1.32 V；在60 mA cm⁻²下，0.1