大连化物所「国家杰青」团队，最新Nature Energy！

几乎“零腐蚀”的溴电池来了：一场被忽视的化学反应，正在改变大规模储能

在风电、光伏等可再生能源快速发展的今天，电能“发得多、存得住、用得久”已成为电网系统面临的核心挑战。相比锂离子电池，液流电池凭借高安全性、可扩展性和长寿命，被视为大规模、长时储能的理想选择。其中，锌/溴液流电池因能量密度高、电解液成本低而备受关注。然而，一个长期未被真正解决的问题始终制约着它的实际应用——游离溴（Br₂）带来的强腐蚀性和高毒性。它不仅会快速破坏电极、膜材料和管路系统，还会缩短电池寿命、推高系统成本，甚至带来环境与安全隐患。

近日，中国科学院大连化学物理研究所李先锋研究员和谢聪鑫提出了一种看似“简单”，却极具颠覆性的解决思路：通过引入溴捕获反应，从源头上几乎消除游离溴的存在，同时把传统的一电子反应升级为两电子反应。这一策略不仅让锌/溴液流电池首次实现“近乎无腐蚀”的运行状态，还在能量密度、循环寿命和系统成本上全面超越了传统方案。相关成果以“Grid-scale corrosion-free Zn/Br flow batteries enabled by a multi-electron transfer reaction”为题发表在《Nature Energy》上，第一作者为Yue Xu。

从“怎么躲避溴”到“不让出现”：电解液设计思路的根本转变

研究的核心思想并不是继续“加厚防护”，而是彻底改变反应路径。如图1a所示，传统锌/溴液流电池在充电过程中，溴离子被氧化生成Br₂，随后再通过络合剂“暂时束缚”这些溴分子。但问题在于，即便有络合剂，电解液中依然存在高达数百毫摩尔的游离溴，油状溴相还会造成传质不均与局部腐蚀。而在新的设计中，研究团队引入了一种溴捕获剂——磺氨酸钠（SANa）。当溴离子在充电过程中被氧化时，生成的Br₂会被SANa几乎瞬间“化学消耗”，转化为温和稳定的N-溴磺氨酸盐（Br-SANa）。这一反应不再是简单的物理络合，而是形成了具有共价特征的Br–N键（图1a），从反应本质上消除了高腐蚀性游离溴的累积。为了验证这一策略的普适性，团队系统筛选了17种含氨基化合物，并结合密度泛函理论计算（图1b）和电化学测试（图1c），发现适度吸电子基团能够显著增强Br–N键的稳定性。其中，SANa在反应速率与可逆性之间达到了最佳平衡，成为最优选择。

图1：溴电解液的设计原理：通过引入氨基捕获剂，将传统Br⁻/Br₂反应转变为Br⁻/Br-SANa两电子反应，并筛选出最优溴捕获分子。

pH，是这场反应能否成功的“隐形开关”

仅有捕获剂还不够，反应是否能持续、可逆，还高度依赖电解液环境。图2a展示了在不同pH条件下的循环伏安行为：在强酸环境中，溴离子的氧化与捕获反应被“拆分”为两个独立过程，Br₂会短暂大量积累，违背了设计初衷。当体系被调控至弱酸—近中性区间后，情况发生了根本变化。Br₂一生成便被SANa迅速消耗，两个反应过程在电化学上“合并”，游离溴浓度被压低至约7 mM。肉眼观察也能清晰感受到这种差异：传统电解液在充电后呈现深红色甚至出现油状溴相，而新体系始终保持清亮均一（图2c、2d）。更关键的是，Br-SANa在放电过程中能够通过化学平衡重新参与反应，实现高度可逆的能量释放。质谱与原位拉曼结果清楚捕捉到了Br-SANa在充放电过程中的生成与消失（图2f–i），证实这并非“不可逆牺牲反应”，而是一个真正可循环的储能化学过程。

图2：SANa存在下溴的电化学行为：证明在近中性条件下游离溴被大幅抑制，并验证Br-SANa在充放电过程中的可逆生成与消失。

两电子反应，让能量密度与寿命同时“起飞”

正是这一Br⁺/Br⁻两电子转移机制，让锌/溴液流电池迎来了性能跃迁。图3a、3b显示，在采用普通SPEEK膜的情况下，新型电池依然能够稳定运行超过600次循环，而传统体系往往在30次左右就因腐蚀失效。在能量密度方面，两电子反应带来的优势尤为明显：在2 M溴离子浓度下，电池体积能量密度从传统的约90 Wh L⁻¹提升至152 Wh L⁻¹，进一步提高浓度后甚至接近200 Wh L⁻¹。值得注意的是，这一提升并未以效率为代价，在40 mA cm⁻²下仍能保持80%以上的能量效率。更具说服力的是系统级验证。研究团队构建了一套5 kW级锌/溴液流电池堆（图3e、3f），在连续运行中实现了约6.6 kWh的输出能量，并稳定运行超过700个循环、累计1400小时（图3h）。这标志着该策略已经从“实验室概念”迈入“工程可行”的门槛。

图3：单电池与5 kW系统性能：新型锌/溴液流电池在循环寿命、能量密度和系统稳定性上显著优于传统体系。

不仅更耐用，还更便宜：一场悄然发生的成本革命

腐蚀问题一旦被解决，连锁反应远不止性能提升。图4展示的技术经济分析揭示了一个更现实的变化：由于电解液变得温和，系统不再需要昂贵的防腐膜材料、管路和储液罐；同时，两电子反应显著减少了活性物质用量。综合计算显示，新型锌/溴液流电池的电解液成本可降至约75美元 kWh⁻¹，明显低于传统体系的128美元 kWh⁻¹。在长放电时长（E/P≈8）条件下，系统总成本有望降至约161美元 kWh⁻¹，已接近甚至挑战当前主流锂离子储能技术的成本区间。

图4：技术经济分析：低腐蚀电解液与两电子反应共同推动系统成本显著下降，展现出良好的工程与商业潜力

总结与展望

这项工作真正的价值，并不只在于“做出了一块更好的溴电池”，而在于它展示了一种被长期忽视的可能性：通过精确的化学反应设计，而非被动防护，来解决电化学体系中的根本矛盾。通过引入SANa捕获反应，研究团队同时实现了低腐蚀、高能量密度和长寿命，为溴基液流电池走向电网级应用扫清了关键障碍。可以预见，这种“从反应源头下手”的思路，未来或将被推广至更多高能量密度但受副反应困扰的储能体系中。对于追求低成本、长寿命的大规模储能而言，这或许正是一条值得持续深挖的新路径。