復旦大學水系電池研究中心取得系列攻關突破：構建新型水系硫電池，從微觀機制到工程優化
在全球能源轉型的浪潮中，高性能、低成本的儲能技術成為實現可再生能源高效利用的核心。水系電池因其安全性高、成本低、環境友好等優勢，被視為極具潛力的儲能解決方案。硫基材料，具有高理論比容量、極低的成本（約0.15美元/安時）以及優異的環境適應性，有望解決當前水系電池在能量密度方面的瓶頸！然而，水系硫電池（ASBs）在基礎研究及應用轉化進程中仍面臨諸多關鍵性問題，例如反應機理不明確、電化學動力學差、循環壽命短、器件化設計復雜等。這些問題嚴重限制了其規模應用
近日，復旦大學水系電池研究中心趙東元/晁棟梁團隊在這一領域取得系列攻關突破，于2025年3月接連在Journal of the American Chemical Society（《美國化學會志》）、 Angewandte Chemie International Edition（《德國應用化學》）、Nature Reviews Electrical Engineering（《自然評論:電工程》）三本國際期刊上發表研究進展，為水系電池的未來發展提供了新的思路和解決方案。
水系硫基電池（ASBs）因其高安全性、低成本及高理論容量而備受關注。在水的輔助下，硫的利用率在ASBs中可被完全激活。然而，目前，針對水系硫基電池S0/S2-反應的催化劑研究仍處于萌芽階段，尚未開發針對性策略來選擇性加速多硫化物向硫二負離子的轉化。相比之下，傳統有機電解液硫電池（OSBs）中已有眾多催化劑被成功應用，并且此時催化劑的角色必不可少！探索并篩選適用于ASBs的電催化劑其實勢在必行。然而，ASBs與OSBs在化學環境上有著顯著差異，這嚴重阻礙了OSB催化劑在水環境中催化ASB的有效性。
在Journal of the American Chemical Society發表的研究成果“Aqueous-S vs Organic-S Battery: Volmer-Step Involved Sulfur Reaction”中，團隊揭示了水環境中硫的獨特電化學反應機制，該反應機制與有機電解液體系存在本質區別。通過一系列譜學和電化學分析，發現單質硫（S8）首先被還原生成多硫化物（主要為S42?），隨后S42?進一步與H2O直接反應生成HS?，這一過程涉及多硫化物的轉化以及水解離的Volmer步驟。進一步結合電化學測試與理論計算分析，提出了兼具多硫化物吸附與催化Volmer步驟的水系硫催化劑篩選標準。基于該篩選標準，本研究優選出Mo2C作為ASB的催化劑，并實現了優異的電化學性能。在5 A g?1下，Mo2C催化的ASB展現出1,040 mAh g?1的高比容量，顯著優于Fe3C（693 mAh g?1）及C（510 mAh g?1）。該工作不僅深入解析了ASB的電荷存儲機制，同時奠定了ASB催化劑設計研究的理論基礎，為后續水系硫基電池的發展提供了理論指導。
堿金屬離子-水系硫基電池在實際應用中面臨短鏈多硫化物高溶解性導致的活性物質不可逆損失問題。制造功能性硫宿主材料來抑制硫的擴散，引入高濃度電解液以調節多硫化物的溶解度，以及設計離子選擇性膜以保留多硫化物等方法在一定程度上緩解了硫從宿主或膜中的逃逸，但并未從根本上解決問題。ASBs的失效機制仍然成謎。
在Angewandte Chemie International Edition發表的研究成果“Unveil the Failure of Alkali Ion-Sulfur Aqueous Batteries: Resolving Water Migration by Coordination Regulation”中，團隊首次揭示了堿金屬離子（Li?、Na?、K?）驅動的水遷移現象是導致電池失效的關鍵因素。通過第一性原理分子動力學（AIMD）模擬，團隊發現堿金屬離子與水分子的強相互作用導致水分子在循環過程中穿過隔膜，加劇了硫的溶解和穿梭效應。
基于此，團隊提出“堿金屬離子-貧H?O配位”策略，通過引入低分子極性指數（MPI）陰離子（如OTf?）構建新型配位結構，有效抑制水遷移，減少硫的溶解和穿梭效應。實驗結果表明，優化后的Na?-ASB實現了1634毫安時/克的超高比容量（97.7%的硫利用率）、超過500次的循環穩定性和340瓦時/千克的高能量密度，為高性能堿金屬離子-水系硫基電池的設計提供了重要理論依據。
在實用化方面，水系硫基液流電池（SRFB）憑借多硫化物的高溶解度（約8.8摩爾/升）和硫的低成本（0.15安時/升），有望實現38.7美元/千瓦時的低成本。但SRFB目前仍處于相對早期階段，主要面臨循環壽命短、電化學動力學差和器件化設計的挑戰。
團隊在Nature Reviews Electrical Engineering發表的論文“Aqueous Sulfur-based Redox Flow Battery”中提出，加速SRFB從實驗室到工廠的轉變需要跨學科合作，涵蓋化學、材料科學、電氣工程、能源和環境科學等領域3。面向商業化，必須注意一些關鍵因素，例如成本、安全性、壽命、能量效率、能量密度、自放電性能和可回收性。
團隊建議，通過膜改性、催化劑選用和器件設計等工程優化，推動SRFB的商業化進程。具體方向包括：制備高離子選擇性和導電性的離子交換膜；設計低成本、高比表面積的電極材料；篩選穩定的液相氧化還原介質以提升多硫化物氧化還原動力學；開發抗凍電解質以適應極端氣候；探索新的低成本、高可溶性氧化還原對，協調從電池到電堆和系統的一致性。
復旦大學水系電池研究中心趙東元/晁棟梁團隊的近期系列研究成果，不僅在理論上揭示了水系硫基電池的關鍵失效機制，還通過工程優化策略為水系電池的商業化提供了切實可行的解決方案。這些成果為水系電池的廣泛應用奠定了堅實基礎，有望推動其在儲能領域的商業化進程。未來，通過持續的跨學科合作和校企聯合技術創新，有望進一步提升水系電池的性能，降低成本，推動其在智能電網、可再生能源存儲等領域的廣泛應用。
“Aqueous-S vs Organic-S Battery: Volmer-Step Involved Sulfur Reaction”論文第一作者為復旦大學博士生張騰升，通訊作者為復旦大學晁棟梁教授。研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等資助。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5c01727
“Unveil the Failure of Alkali Ion-Sulfur Aqueous Batteries: Resolving Water Migration by Coordination Regulation”論文第一作者為復旦大學碩士生虞小玉和博士后馮宇通，通訊作者為復旦大學晁棟梁教授。研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202503138
“Aqueous Sulfur-based Redox Flow Battery”論文第一作者為復旦大學博士生張俊偉，通訊作者為復旦大學晁棟梁教授。研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金等資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44287-025-00153-x
本文鏈接：http://www.albanygandhi.com/news-3-2095.html復旦大學水系電池研究中心取得系列攻關突破：構建新型水系硫電池，從微觀機制到工程優化
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