1400小时超长待机！锌溴液流电池寿命难题破解，成本大降30%

　　环球零碳

　　碳中和领域的《新青年》

　　首图来源：大连化学物理研究所

　　撰文 | Bell

　　编辑 | 小雨

　　→这是《环球零碳》的1806篇原创

　　在可再生能源蓬勃发展的今天，如何将不稳定的风能、太阳能安全高效地储存起来，是能源领域的核心挑战。

　　液流电池，因其安全可靠、规模灵活的特性，被视为大规模储能的有力竞争者。

　　其中，溴基液流电池依赖于溴离子（Br-）与溴单质（Br2）的氧化还原反应，以具有资源丰富、电极电势高，以及溶解度高等优势备受关注。

　　然而，它有一个困扰业界数十年的“阿喀琉斯之踵”——高度腐蚀性和挥发性的单质溴（Br₂），这不仅严重损害电池自身寿命，也对环境和安全构成威胁。

　　最近，一项发表于国际顶级期刊《自然·能源》的研究，为破解这一难题带来了革命性的突破。

　　中国科学院大连化学物理研究所李先锋研究员团队在锌溴液流电池中引入了一种名为“氨基磺酸钠”的神奇“溴捕获剂”，并结合创新的两电子转移反应，成功将电解液中自由溴的浓度降至极低水平。

　　基于此技术构建的电池，单次循环寿命超过600次，组装的5千瓦电堆更实现了超过700次循环、1400小时的稳定运行，能量效率保持在78%以上。

　　要理解这项突破的意义，我们首先要走进锌溴电池的“烦恼”。

　　传统锌溴电池在充电时会产生的大量Br2单质，会对电池材料造成严重腐蚀，显著降低电池的循环寿命，并对电池材料的耐腐蚀性提出了更高的要求，进一步推高了电池成本。

　　传统溴络合剂虽然在一定程度上可以缓解这种腐蚀问题，但其形成的分相结构往往导致均匀性差，增加了系统复杂性。

　　科学家们此次另辟蹊径，从化学基本原理中寻找灵感。

　　他们发现，某些有机胺类化合物能与溴发生一种特殊的“取代反应”，形成牢固的“溴-氮”共价键，从而在反应过程中直接“消耗”掉自由溴。

　　受此启发，研究团队系统筛选了多种胺类化合物，最终锁定了氨基磺酸钠（SANA） 作为最优的“溴捕获剂”。

　　在电池充电时，溴离子被氧化生成少量溴分子（Br₂）后，不会像过去一样大量累积，而是立即被溶液中无处不在的SANA分子“捕获”。

　　两者快速反应，生成一种性质温和的中间产物——N-溴代氨基磺酸钠（Br-SANA），同时释放出溴离子和质子。这个反应是可逆的化学平衡。放电时，Br-SANA又能分解，重新释放出溴分子参与发电反应。

　　关键在于，这个“捕获”过程几乎将自由溴的浓度从传统电解液中的上百毫摩尔降低到了约7毫摩尔，腐蚀性因此大幅降低。

　　图说：c. 当电池充至不同容量时电解液的照片。充电结束时游离溴 (Br2) 约为7 mM；d. 不同溴电解液充电结束时的照片

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

　　研究团队通过紫外光谱直观地展示了差异：传统充满电的电解液呈深红棕色并伴有油状溴沉淀，而新型电解液颜色极浅，清澈透明。

　　但这还不是全部“密码”。传统的溴电极反应是Br⁻/Br₂之间的单电子转移。

　　而在新体系中，参与核心能量转换的“主角”变成了Br⁻和Br-SANA，这是一个双电子转移反应。

　　电子是电能的载体，每一次反应能传递的电子数翻倍，意味着电池存储和释放能量的“容量”理论上的翻倍。

　　实际测试中，新型电池的能量密度达到了152 Wh/L，远高于传统锌溴电池的90 Wh/L，甚至在某些高浓度条件下可接近200 Wh/L，能量存储能力显著提升。

　　来源：大连化学物理研究所

　　为了确保整个反应在温和、高效的环境中进行，研究团队还引入了醋酸钾作为“缓冲剂”，将电解液环境稳定在近乎中性的pH条件下。

　　这就像一个稳定的“舞台”，让溴捕获反应和电极反应能够顺畅、可逆地进行。

　　通过质谱、拉曼光谱等一系列高精尖的“侦探工具”，科学家们清晰地“看”到了充放电过程中SANA与Br-SANA分子之间的往复转化，确证了反应机制的高度可逆性和稳定性。

　　性能的提升最终落实在电池上。由于电解液变得“温和”，研究团队甚至可以使用成本低廉、原本并不耐溴腐蚀的SPEEK（磺化聚醚醚酮）隔膜。

　　测试结果表明，单个电池在40 mA/cm²的电流密度下稳定运行超过600次（超过80天），能量效率保持在80%以上。

　　而传统使用同样隔膜的锌溴电池，不到30次循环性能就急剧衰减。

　　更具说服力的是工程化放大成果。团队成功组装了一个由30个单电池串联构成的5千瓦级电堆系统，其输出能量达到6.6千瓦时。

　　在系统测试中，该电池在40 mA cm-2的条件下可以稳定运行超过700个循环（1400小时），能量效率超过78%。

　　由于Br2浓度极低，循环前后电池的关键材料如集流体、电极和膜材料均未出现腐蚀现象。

　　除了性能，成本是技术能否走向市场的另一把标尺。

　　经测算，新技术摒弃了昂贵的络合剂和耐腐蚀部件，电解液成本降至约75美元/千瓦时，显著低于传统的128美元/千瓦时。

　　同时，综合技术经济分析表明，新型电池系统的总成本预计可降至149–399美元/kWh，优于传统锌溴电池。

　　图说：a、c为新型电池系统成本，b、d为传统电池系统成本

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

　　尤其在需要长时储能（如一次充电放电持续8小时）的场景下，成本优势将更加明显。该系统为未来电网级储能提供了一种极具竞争力的低成本、长寿命选项。

　　随着全球对长时储能需求的日益迫切，这项突破有望加速推动锌溴液流电池从实验室走向广阔的能源市场，为构建以可再生能源为主体的新型电力系统贡献重要的“储能基石”。

　　参考材料：

　　[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