科学家研发软硬双极性捕获剂，促进卤化物水系液流电池应用落地

一个成果的诞生，让美国威斯康星大学麦迪逊分校冯大卫教授和团队既多了一篇 Nature 论文，也让他所创办的 Flux XII 公司多了一项技术专利。

图 | 冯大卫（来源：冯大卫）

通过克服传统多卤化物体系的限制，他希望为卤化物水系液流电池在可持续的大规模能源存储应用中铺平道路，从而通过更有效地储存可再生能源，来为减少全球对化石燃料的依赖做出重要贡献。

总的来说，这是一项围绕氧化还原过程中电荷转移机理开展的新成果。

（来源：Nature）

研究中，该课题组引入了一种创新的双极性复合试剂——软硬双极性捕获剂（SH-ZIT）。

这款试剂的设计目的是：旨在通过稳定充电过程中形成的多卤化物物种，并防止其分解成自由卤素分子，从而解决现有卤化物水系液流电池的主要局限。

研究中，该团队假设 SH-ZIT 凭借其独特的“软”阳离子和“硬”阴离子结构，能够通过“软-软”相互作用有效地结合多卤化物，同时能够通过“硬”阴离子的亲水特性保持溶解性。

这种双重功能对于防止形成单独的疏水相至关重要，同时这种疏水相一直是电池操作和安全性上的一大挑战。

实验结果证实，SH-ZIT 添加剂不仅能够消除有害的溴蒸气，还能实现高达 90% 充电状态下的均匀电解质溶液，这在卤化物体系中是一个前所未有的突破。

通过系统性的测试，他们发现 SH-ZIT 能够显著提高体系的稳定性、容量和库仑效率，即使在高温环境下也能保持优异的性能。这也让本次研究则为探索复杂的溶剂化结构和电荷转移机制开辟了新的方向。

通过光谱分析和电化学测试，他们展示了 SH-ZIT 形成的结构与多卤化物物种的相互作用，为提高电池性能和确保安全性提供了更深层次的理解。

总的来说，本次成果将能用于大规模储能和可持续能源技术领域。假如该成果得到进一步开发和优化，它有望在以下场景中发挥重要作用：

用于大规模电网储能：由于 SH-ZIT 在卤化物水系液流电池（aq-RFBs）中能够显著提高稳定性和安全性，因此该技术可以用于大规模电网储能系统。它将帮助更好地存储和调节可再生能源（如风能和太阳能），以平衡电力供应与需求，从而减少对化石燃料的依赖。

用于应急和备用电源系统：这种更安全、更高效的电池技术可用于应急备用电源，特别是在需要高安全性和可靠性能的关键场景中，如用于医院、数据中心和其他需要稳定电力供应的设施之中。

用于工业级备用电源：即工厂等需要稳定电力供应的关键设施，将能受益于这种创新的储能技术。其高容量和高效率特性，可以确保在电网故障或高峰需求期间的无缝电力供应。

用于智能电网和分布式能源系统：本次技术在支持智能电网和分布式能源网络方面有着巨大的应用前景。通过提高储能系统的效率和安全性，SH-ZIT 技术可以促进分布式发电的普及，使用户能够更好地储存和利用自发电力。

综上，本次成果在未来几年内将有助于推动储能技术的全面发展，尤其能促进提升该技术的安全性、稳定性和能量密度，从而为多领域的创新应用提供可能性。

如前所述，本次成果将落地在冯大卫的初创公司之中。

据他介绍，Flux XII 公司由课题组此前的核心研发人员领导。

该公司专注于开发水系液流电池技术，旨在为多种应用场景提供高效的储能解决方案。

目前，公司已成功完成电解液和离子交换膜的中试生产，正在进行原型电堆的最终测试阶段。

同时，他们也已启动种子轮融资，以支持后续的产品开发和市场推广。

提高卤化物体系的充电状态利用率

而之所以开展本次研究，既源于之前他们在有机体系的水系液流电池（aq-RFBs）方面的广泛研究，也源于希望探索新的无机体系前沿领域的愿望。

同时，之所以转向卤化物体系，是因为它们在实际应用中展现出更加显著的潜力，比如造价便宜、溶解度高、电位比较正，在大规模能源存储解决方案中表现尤为出色。

卤化物基阴极电解质特别是溴化物和碘化物，具有较高的溶解度、以及较正的氧化还原电位，这使得它们具有很大的应用优势。

然而，这些体系长期以来受到固有问题的困扰，比如会在充电过程中形成多卤化物，从而会导致相分离、自放电、电解液交叉、以及释放有毒卤素蒸气等安全问题。

因此，本次研究旨在解决这些关键挑战，并提高这些体系的充电状态利用率。

纯粹基于预测性和热力学假设驱动的项目

冯大卫表示，本次课题的起点实际上带有一些好奇和探索的成分。

此前，他们在有机水系液流电池方面已经取得了不错的进展，于是他们想尝试一些不同的体系，以避免研究的单一性，同时也有助于加深对于不同电化学体系的理解。

跨体系的比较性研究，尤其吸引着冯大卫。因为来自同一研究团队的数据更容易进行一致性分析和对比。

“因此，这项研究可以说是一个纯粹基于预测性和热力学假设驱动的项目。”冯大卫表示。

确定上述研究方向之后，课题组在第二天就用现有分子进行尝试并成功获得了初步结果。

随后，他们开始收集数据、优化体系，以及深入理解这一体系的电化学行为和电化学性能。

而在研究这个体系时，涉及到大量的结构组合和性能测试。

尽管整体工作过程比较平坦，但是在机理理解上颇费功夫。

“每次我们基于已有数据有了自以为不错的理解之后，很快被新的数据打脸。并且发现所以之前文献对于卤素的氧化还原都不是特别令人信服。”冯大卫说。

但这反而也让他们能够保持一种开放的心态，去持续深入地研究机理。

最终，相关论文以《水卤化物液流电池用软硬两性离子添加剂》（Soft–hard zwitterionic additives for aqueous halide flow batteries）为题发表在 Nature。

威斯康星大学麦迪逊分校博士生 Gyohun Choi 是第一作者，冯大卫担任通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature）

冯大卫表示：“对于我们所有的、包括之前被拒过的液流电池论文，都没有特别离谱的审稿意见，总体感觉液流电池领域比较就事论事。

可能也是因为相比其他电化学体系，液流电池体系没那么复杂，数据也比较清晰，因此可评判性和可比较性就比较强。”

对于自己所在领域，冯大卫则表示：“感觉学术界和产业产品端脱钩太严重。基于应用型的研究大多数还是在自娱自乐。希望大家（当然也包括他们自己）能少讲点故事，少点无效内卷，以直面问题的态度去做点科研。”

“这样既能开心地做科研，也没那么累，也更有希望做出真正有影响力的东西。”他最后表示。

参考资料：

1.Choi, G., Sullivan, P., Lv, XL. et al. Soft–hard zwitterionic additives for aqueous halide flow batteries. Nature 635, 89–95 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-08079-4

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