大連化物所「國家杰青」團隊，最新Nature Energy！

幾乎“零腐蝕”的溴電池來了：一場被忽視的化學反應，正在改變大規模儲能

在風電、光伏等可再生能源快速發展的今天，電能“發得多、存得住、用得久”已成為電網系統面臨的核心挑戰。相比鋰離子電池，液流電池憑借高安全性、可擴展性和長壽命，被視為大規模、長時儲能的理想選擇。其中，鋅/溴液流電池因能量密度高、電解液成本低而備受關注。然而，一個長期未被真正解決的問題始終制約著它的實際應用——游離溴（Br?）帶來的強腐蝕性和高毒性。它不僅會快速破壞電極、膜材料和管路系統，還會縮短電池壽命、推高系統成本，甚至帶來環境與安全隱患。

近日，中國科學院大連化學物理研究所李先鋒研究員和謝聰鑫提出了一種看似“簡單”，卻極具顛覆性的解決思路：通過引入溴捕獲反應，從源頭上幾乎消除游離溴的存在，同時把傳統的一電子反應升級為兩電子反應。這一策略不僅讓鋅/溴液流電池首次實現“近乎無腐蝕”的運行狀態，還在能量密度、循環壽命和系統成本上全面超越了傳統方案。相關成果以“Grid-scale corrosion-free Zn/Br flow batteries enabled by a multi-electron transfer reaction”為題發表在《Nature Energy》上，第一作者為Yue Xu。

從“怎么躲避溴”到“不讓出現”：電解液設計思路的根本轉變

研究的核心思想并不是繼續“加厚防護”，而是徹底改變反應路徑。如圖1a所示，傳統鋅/溴液流電池在充電過程中，溴離子被氧化生成Br?，隨后再通過絡合劑“暫時束縛”這些溴分子。但問題在于，即便有絡合劑，電解液中依然存在高達數百毫摩爾的游離溴，油狀溴相還會造成傳質不均與局部腐蝕。而在新的設計中，研究團隊引入了一種溴捕獲劑——磺氨酸鈉（SANa）。當溴離子在充電過程中被氧化時，生成的Br?會被SANa幾乎瞬間“化學消耗”，轉化為溫和穩定的N-溴磺氨酸鹽（Br-SANa）。這一反應不再是簡單的物理絡合，而是形成了具有共價特征的Br–N鍵（圖1a），從反應本質上消除了高腐蝕性游離溴的累積。為了驗證這一策略的普適性，團隊系統篩選了17種含氨基化合物，并結合密度泛函理論計算（圖1b）和電化學測試（圖1c），發現適度吸電子基團能夠顯著增強Br–N鍵的穩定性。其中，SANa在反應速率與可逆性之間達到了最佳平衡，成為最優選擇。

圖1：溴電解液的設計原理：通過引入氨基捕獲劑，將傳統Br?/Br?反應轉變為Br?/Br-SANa兩電子反應，并篩選出最優溴捕獲分子。

pH，是這場反應能否成功的“隱形開關”

僅有捕獲劑還不夠，反應是否能持續、可逆，還高度依賴電解液環境。圖2a展示了在不同pH條件下的循環伏安行為：在強酸環境中，溴離子的氧化與捕獲反應被“拆分”為兩個獨立過程，Br?會短暫大量積累，違背了設計初衷。當體系被調控至弱酸—近中性區間后，情況發生了根本變化。Br?一生成便被SANa迅速消耗，兩個反應過程在電化學上“合并”，游離溴濃度被壓低至約7 mM。肉眼觀察也能清晰感受到這種差異：傳統電解液在充電后呈現深紅色甚至出現油狀溴相，而新體系始終保持清亮均一（圖2c、2d）。更關鍵的是，Br-SANa在放電過程中能夠通過化學平衡重新參與反應，實現高度可逆的能量釋放。質譜與原位拉曼結果清楚捕捉到了Br-SANa在充放電過程中的生成與消失（圖2f–i），證實這并非“不可逆犧牲反應”，而是一個真正可循環的儲能化學過程。

圖2：SANa存在下溴的電化學行為：證明在近中性條件下游離溴被大幅抑制，并驗證Br-SANa在充放電過程中的可逆生成與消失。

兩電子反應，讓能量密度與壽命同時“起飛”

正是這一Br?/Br?兩電子轉移機制，讓鋅/溴液流電池迎來了性能躍遷。圖3a、3b顯示，在采用普通SPEEK膜的情況下，新型電池依然能夠穩定運行超過600次循環，而傳統體系往往在30次左右就因腐蝕失效。在能量密度方面，兩電子反應帶來的優勢尤為明顯：在2 M溴離子濃度下，電池體積能量密度從傳統的約90 Wh L?1提升至152 Wh L?1，進一步提高濃度后甚至接近200 Wh L?1。值得注意的是，這一提升并未以效率為代價，在40 mA cm?2下仍能保持80%以上的能量效率。更具說服力的是系統級驗證。研究團隊構建了一套5 kW級鋅/溴液流電池堆（圖3e、3f），在連續運行中實現了約6.6 kWh的輸出能量，并穩定運行超過700個循環、累計1400小時（圖3h）。這標志著該策略已經從“實驗室概念”邁入“工程可行”的門檻。

圖3：單電池與5 kW系統性能：新型鋅/溴液流電池在循環壽命、能量密度和系統穩定性上顯著優于傳統體系。

不僅更耐用，還更便宜：一場悄然發生的成本革命

腐蝕問題一旦被解決，連鎖反應遠不止性能提升。圖4展示的技術經濟分析揭示了一個更現實的變化：由于電解液變得溫和，系統不再需要昂貴的防腐膜材料、管路和儲液罐；同時，兩電子反應顯著減少了活性物質用量。綜合計算顯示，新型鋅/溴液流電池的電解液成本可降至約75美元 kWh?1，明顯低于傳統體系的128美元 kWh?1。在長放電時長（E/P≈8）條件下，系統總成本有望降至約161美元 kWh?1，已接近甚至挑戰當前主流鋰離子儲能技術的成本區間。

圖4：技術經濟分析：低腐蝕電解液與兩電子反應共同推動系統成本顯著下降，展現出良好的工程與商業潛力

總結與展望

這項工作真正的價值，并不只在于“做出了一塊更好的溴電池”，而在于它展示了一種被長期忽視的可能性：通過精確的化學反應設計，而非被動防護，來解決電化學體系中的根本矛盾。通過引入SANa捕獲反應，研究團隊同時實現了低腐蝕、高能量密度和長壽命，為溴基液流電池走向電網級應用掃清了關鍵障礙。可以預見，這種“從反應源頭下手”的思路，未來或將被推廣至更多高能量密度但受副反應困擾的儲能體系中。對于追求低成本、長壽命的大規模儲能而言，這或許正是一條值得持續深挖的新路徑。