環(huán)球零碳

　　碳中和領(lǐng)域的《新青年》

　　首圖來源：大連化學(xué)物理研究所

　　撰文 | Bell

　　編輯 | 小雨

　　→這是《環(huán)球零碳》的1806篇原創(chuàng)

　　在可再生能源蓬勃發(fā)展的今天，如何將不穩(wěn)定的風(fēng)能、太陽能安全高效地儲(chǔ)存起來，是能源領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。

　　液流電池，因其安全可靠、規(guī)模靈活的特性，被視為大規(guī)模儲(chǔ)能的有力競爭者。

　　其中，溴基液流電池依賴于溴離子（Br-）與溴單質(zhì)（Br2）的氧化還原反應(yīng)，以具有資源豐富、電極電勢高，以及溶解度高等優(yōu)勢備受關(guān)注。

　　然而，它有一個(gè)困擾業(yè)界數(shù)十年的“阿喀琉斯之踵”——高度腐蝕性和揮發(fā)性的單質(zhì)溴（Br?），這不僅嚴(yán)重?fù)p害電池自身壽命，也對環(huán)境和安全構(gòu)成威脅。

　　最近，一項(xiàng)發(fā)表于國際頂級期刊《自然·能源》的研究，為破解這一難題帶來了革命性的突破。

　　中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李先鋒研究員團(tuán)隊(duì)在鋅溴液流電池中引入了一種名為“氨基磺酸鈉”的神奇“溴捕獲劑”，并結(jié)合創(chuàng)新的兩電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，成功將電解液中自由溴的濃度降至極低水平。

　　基于此技術(shù)構(gòu)建的電池，單次循環(huán)壽命超過600次，組裝的5千瓦電堆更實(shí)現(xiàn)了超過700次循環(huán)、1400小時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行，能量效率保持在78%以上。

　　要理解這項(xiàng)突破的意義，我們首先要走進(jìn)鋅溴電池的“煩惱”。

　　傳統(tǒng)鋅溴電池在充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生的大量Br2單質(zhì)，會(huì)對電池材料造成嚴(yán)重腐蝕，顯著降低電池的循環(huán)壽命，并對電池材料的耐腐蝕性提出了更高的要求，進(jìn)一步推高了電池成本。

　　傳統(tǒng)溴絡(luò)合劑雖然在一定程度上可以緩解這種腐蝕問題，但其形成的分相結(jié)構(gòu)往往導(dǎo)致均勻性差，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。

　　科學(xué)家們此次另辟蹊徑，從化學(xué)基本原理中尋找靈感。

　　他們發(fā)現(xiàn)，某些有機(jī)胺類化合物能與溴發(fā)生一種特殊的“取代反應(yīng)”，形成牢固的“溴-氮”共價(jià)鍵，從而在反應(yīng)過程中直接“消耗”掉自由溴。

　　受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)篩選了多種胺類化合物，最終鎖定了氨基磺酸鈉（SANA） 作為最優(yōu)的“溴捕獲劑”。

　　在電池充電時(shí)，溴離子被氧化生成少量溴分子（Br?）后，不會(huì)像過去一樣大量累積，而是立即被溶液中無處不在的SANA分子“捕獲”。

　　兩者快速反應(yīng)，生成一種性質(zhì)溫和的中間產(chǎn)物——N-溴代氨基磺酸鈉（Br-SANA），同時(shí)釋放出溴離子和質(zhì)子。這個(gè)反應(yīng)是可逆的化學(xué)平衡。放電時(shí)，Br-SANA又能分解，重新釋放出溴分子參與發(fā)電反應(yīng)。

　　關(guān)鍵在于，這個(gè)“捕獲”過程幾乎將自由溴的濃度從傳統(tǒng)電解液中的上百毫摩爾降低到了約7毫摩爾，腐蝕性因此大幅降低。

　　圖說：c. 當(dāng)電池充至不同容量時(shí)電解液的照片。充電結(jié)束時(shí)游離溴 (Br2) 約為7 mM；d. 不同溴電解液充電結(jié)束時(shí)的照片

　　來源： https://doi.org/10.1038/s41560-025-01907-5

　　研究團(tuán)隊(duì)通過紫外光譜直觀地展示了差異：傳統(tǒng)充滿電的電解液呈深紅棕色并伴有油狀溴沉淀，而新型電解液顏色極淺，清澈透明。

　　但這還不是全部“密碼”。傳統(tǒng)的溴電極反應(yīng)是Br?/Br?之間的單電子轉(zhuǎn)移。

　　而在新體系中，參與核心能量轉(zhuǎn)換的“主角”變成了Br?和Br-SANA，這是一個(gè)雙電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

　　電子是電能的載體，每一次反應(yīng)能傳遞的電子數(shù)翻倍，意味著電池存儲(chǔ)和釋放能量的“容量”理論上的翻倍。

　　實(shí)際測試中，新型電池的能量密度達(dá)到了152 Wh/L，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋅溴電池的90 Wh/L，甚至在某些高濃度條件下可接近200 Wh/L，能量存儲(chǔ)能力顯著提升。

　　來源：大連化學(xué)物理研究所

　　為了確保整個(gè)反應(yīng)在溫和、高效的環(huán)境中進(jìn)行，研究團(tuán)隊(duì)還引入了醋酸鉀作為“緩沖劑”，將電解液環(huán)境穩(wěn)定在近乎中性的pH條件下。

　　這就像一個(gè)穩(wěn)定的“舞臺(tái)”，讓溴捕獲反應(yīng)和電極反應(yīng)能夠順暢、可逆地進(jìn)行。

　　通過質(zhì)譜、拉曼光譜等一系列高精尖的“偵探工具”，科學(xué)家們清晰地“看”到了充放電過程中SANA與Br-SANA分子之間的往復(fù)轉(zhuǎn)化，確證了反應(yīng)機(jī)制的高度可逆性和穩(wěn)定性。

　　性能的提升最終落實(shí)在電池上。由于電解液變得“溫和”，研究團(tuán)隊(duì)甚至可以使用成本低廉、原本并不耐溴腐蝕的SPEEK（磺化聚醚醚酮）隔膜。

　　測試結(jié)果表明，單個(gè)電池在40 mA/cm2的電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行超過600次（超過80天），能量效率保持在80%以上。

　　而傳統(tǒng)使用同樣隔膜的鋅溴電池，不到30次循環(huán)性能就急劇衰減。

　　更具說服力的是工程化放大成果。團(tuán)隊(duì)成功組裝了一個(gè)由30個(gè)單電池串聯(lián)構(gòu)成的5千瓦級電堆系統(tǒng)，其輸出能量達(dá)到6.6千瓦時(shí)。

　　在系統(tǒng)測試中，該電池在40 mA cm-2的條件下可以穩(wěn)定運(yùn)行超過700個(gè)循環(huán)（1400小時(shí)），能量效率超過78%。

　　由于Br2濃度極低，循環(huán)前后電池的關(guān)鍵材料如集流體、電極和膜材料均未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

　　除了性能，成本是技術(shù)能否走向市場的另一把標(biāo)尺。

　　經(jīng)測算，新技術(shù)摒棄了昂貴的絡(luò)合劑和耐腐蝕部件，電解液成本降至約75美元/千瓦時(shí)，顯著低于傳統(tǒng)的128美元/千瓦時(shí)。

　　同時(shí)，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，新型電池系統(tǒng)的總成本預(yù)計(jì)可降至149–399美元/kWh，優(yōu)于傳統(tǒng)鋅溴電池。

　　圖說：a、c為新型電池系統(tǒng)成本，b、d為傳統(tǒng)電池系統(tǒng)成本

　　來源：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01907-5

　　尤其在需要長時(shí)儲(chǔ)能（如一次充電放電持續(xù)8小時(shí)）的場景下，成本優(yōu)勢將更加明顯。該系統(tǒng)為未來電網(wǎng)級儲(chǔ)能提供了一種極具競爭力的低成本、長壽命選項(xiàng)。

　　隨著全球?qū)﹂L時(shí)儲(chǔ)能需求的日益迫切，這項(xiàng)突破有望加速推動(dòng)鋅溴液流電池從實(shí)驗(yàn)室走向廣闊的能源市場，為構(gòu)建以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)貢獻(xiàn)重要的“儲(chǔ)能基石”。

　　參考材料：

　　[1]https://www.nature.com/articles/s41560-025-01907-5

　　[2]https://dicp.cas.cn/xwdt/ttxw/202512/t20251219_8030124.html

　　[3]https://interestingengineering.com/energy/china-new-zinc-bromine-flow-battery

　　[4]https://paper.sciencenet.cn/htmlnews/2025/12/557411.shtm