第一作者：汪涛&杨果&崔铭锦&夏惠堂

通讯作者：丁煜&崔铭锦

通讯单位：南京大学&上海理工大学

成果简介

  南京大学丁煜联合上海理工大学崔铭锦教授，展示了一种自充电有机氧化还原液流电池（SCFB），以解决固态反应动力学的局限性。利用液相氧化还原反应的快速动力学，实现了高充电速率，在8分钟内超快达到总容量的94%。通过使用催化剂来减少副反应，该液流电池可以稳定运行1600次循环。即使在-10 °C的严苛环境下，该电池也能运行超过2500次循环。通过模拟计算和原位表征研究了自充电机制背后的氧化还原化学，揭示了烯醇化反应中快速的外层电子转移对反应动力学有显著贡献。在概念验证演示中，进一步将系统从锌负极扩展到镁和铝负极，展示了构建可持续能源系统的潜在途径。

  相关成果以“Self-charging organic flow batteries based on multivalent metal negative electrodes”为题发表在Nature Communications期刊上。

感谢南京大学丁煜团队供稿！

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

  可充电电池是储能核心技术，但传统电池依赖电网充电，在偏远或恶劣环境下应用受限。现有自充电电池多基于固态电极，固–气界面缓慢的反应动力学导致充电耗时久，难以满足快速充放电需求。液相体系具有更高的迁移率和反应动力学，基于此设计的自充电液流电池可突破扩散壁垒：O₂能通过液相快速氧化还原态多元醇，Zn²⁺等电荷载体在液相中的扩散系数比固态高数个数量级，且液流电池开放的电池结构适配自充电的空气注入过程，仅需气泵向电解液储液罐通入O₂即可实现自充电，无需拆解电池，大幅简化装置复杂度。

核心内容

图1：SCFB的设计原理

  如图1所示，SCFB由正负极电解液、集流体、隔膜和储液罐组成。正极侧连接气泵，通入空气即可自充电，无需拆解。醌类衍生物在O₂氛围下CV曲线变化显著，表明其还原态可被O₂快速氧化，符合自充电对材料还原电位低于氧还原电位的要求。DFT计算显示，2,7-AQDS的LUMO能量最低、能隙最小，电子转移阻力低，取代基位置进一步优化其电化学性能。在理化特性方面，2,7-AQDS具有最高的氧化还原电位、溶解度、扩散系数和反应速率常数，是SCFB最优正极材料。

图2：SCFB的自充电机制

  开路电压测试显示，放电后电压为0.56 V，通入O₂后升至1.08 V，表明O₂对还原态2,7-AQDS^2-的氧化是自充电的关键驱动力。光谱分析进一步揭示反应过程：UV-Vis显示通空气后C=O吸收峰增强，8分钟内2,7-AQDS^2-完全氧化，且反应可逆；原位FTIR中C=O峰增强并伴随H₂O₂信号，EPR检测到·OH，均证实O₂氧化过程中生成H₂O₂副产物。反应机制总结为：放电时2,7-AQDS被还原，自充电时O₂将其氧化再生并产生H₂O₂；Mn基碳毡可有效分解H₂O₂、促进电子转移，从而提升电池稳定性。

图3：SCFB的电池性能

  充放电过程的UV-Vis光谱显示，C=O与C-O键吸收峰在充放电过程中可逆变化，证实烯醇化反应是电荷存储的核心机制。倍率性能测试表明，电流密度从10增至120 mA cm^-2时，库仑效率始终接近100%，优异性能源于2,7-AQDS的快速电子转移与催化剂的催化作用。循环稳定性方面：0.1 M 2,7-AQDS体系可以稳定循环1600次。在-10℃条件下可稳定循环2500次，库仑效率超过99%；0.5 M体系同样能稳定运行600次。NMR分析显示循环后2,7-AQDS分子结构未发生降解，容量衰减主要归因于锌负极腐蚀、枝晶生长及物种交叉渗透。

图4：SCFB的自充电性能

  自充电速率方面，系统在通入空气后仅需8分钟即可达到94%的理论容量，快于传统固态自充电系统。性能对比显示，相较于已报道的自充电电池，SCFB在自充电效率与时间综合维度上表现最优。多金属负极验证表明，Zn、Al和Mg负极在20次自充电-放电循环中均表现出稳定的电压平台与可忽略的容量衰减，证实了该负极体系具有良好的通用性。在应用方面，通过串联3个2,7-AQDS基SCFB构建的电池堆，可成功为手机、电风扇等小型电器供电。电解液在放电时由亮黄色变为黑色，自充电后恢复原色，直观反映了2,7-AQDS/2,7-AQDS^2-之间高度可逆的氧化还原反应，体现出良好的实用潜力。

结论展望

  本研究开发的自充电有机液流电池突破了固态自充电体系反应动力学缓慢的瓶颈：通过筛选出高活性的2,7-AQDS作为正极材料，结合被修饰的碳毡抑制副反应、提升动力学，实现了 8 分钟超快充至 94% 容量、稳定运行1600次循环，且 -10 ℃下仍可稳定循环 2500 次；同时将负极拓展至 Mg、Al，展现出体系的通用性。该电池采用生物衍生有机材料、地球丰度金属和空气中的 O₂为核心构建单元，无需外部电源即可自充电，在无电网覆盖的场景中具有巨大应用潜力。

文献信息

  Tao Wang, Guo Yang, Mingjin Cui, et al. Self-charging organic flow batteries based on multivalent metal negative electrodes[J]. Nature Communications, 2025, 16:10338.
https://www.nature.com/articles/s41467-025-65245-6

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