鹵化物體系迎重要進展：科學家研發軟硬雙極性捕獲劑，促進鹵化物水系液流電池應用落地

一個成果的誕生，讓美國威斯康辛大學麥基迪遜分校馮大衛教授和團隊既多了一篇 Nature 論文，也讓他所創辦的 Flux XII 公司多了一項技術專利。

通過克服傳統多鹵化物體系的限制，他希望為鹵化物水系液流電池在可持續的大規模能源存儲應用中鋪平道路，從而通過更有效地儲存可再生能源，來為減少全球對化石燃料的依賴做出重要貢獻。

總的來說，這是一項圍繞氧化還原過程中電荷轉移機理開展的新成果。

研究中，該課題組引入了一種創新的雙極性復合試劑——軟硬雙極性捕獲劑（SH-ZIT）。

這款試劑的設計目的是：旨在通過穩定充電過程中形成的多鹵化物物種，並防止其分解成自由鹵素分子，從而解決現有鹵化物水系液流電池的主要局限。

研究中，該團隊假設 SH-ZIT 憑藉其獨特的「軟」陽離子和「硬」陰離子結構，能夠通過「軟-軟」相互作用有效地結合多鹵化物，同時能夠通過「硬」陰離子的親水特性保持溶解性。

這種雙重功能對於防止形成單獨的疏水相至關重要，同時這種疏水相一直是電池操作和安全性上的一大挑戰。

實驗結果證實，SH-ZIT 添加劑不僅能夠消除有害的溴蒸氣，還能實現高達 90% 充電狀態下的均勻電解質溶液，這在鹵化物體系中是一個前所未有的突破。

通過系統性的測試，他們發現 SH-ZIT 能夠顯著提高體系的穩定性、容量和庫侖效率，即使在高溫環境下也能保持優異的性能。這也讓本次研究則為探索複雜的溶劑化結構和電荷轉移機制開闢了新的方向。

通過光譜分析和電化學測試，他們展示了 SH-ZIT 形成的結構與多鹵化物物種的相互作用，為提高電池性能和確保安全性提供了更深層次的理解。

總的來說，本次成果將能用於大規模儲能和可持續能源技術領域。假如該成果得到進一步開發和優化，它有望在以下場景中發揮重要作用：

用於大規模電網儲能：由於 SH-ZIT 在鹵化物水系液流電池（aq-RFBs）中能夠顯著提高穩定性和安全性，因此該技術可以用於大規模電網儲能系統。它將幫助更好地存儲和調節可再生能源（如風能和太陽能），以平衡電力供應與需求，從而減少對化石燃料的依賴。

用於應急和備用電源系統：這種更安全、更高效的電池技術可用於應急備用電源，特別是在需要高安全性和可靠性能的關鍵場景中，如用於醫院、數據中心和其他需要穩定電力供應的設施之中。

用於工業級備用電源：即工廠等需要穩定電力供應的關鍵設施，將能受益於這種創新的儲能技術。其高容量和高效率特性，可以確保在電網故障或高峰需求期間的無縫電力供應。

用於智能電網和分佈式能源系統：本次技術在支持智能電網和分佈式能源網絡方面有著巨大的應用前景。通過提高儲能系統的效率和安全性，SH-ZIT 技術可以促進分佈式發電的普及，使用戶能夠更好地儲存和利用自發電力。

綜上，本次成果在未來幾年內將有助於推動儲能技術的全面發展，尤其能促進提升該技術的安全性、穩定性和能量密度，從而為多領域的創新應用提供可能性。

如前所述，本次成果將落地在馮大衛的初創公司之中。

據他介紹，Flux XII 公司由課題組此前的核心研發人員領導。

該公司專注於開發水系液流電池技術，旨在為多種應用場景提供高效的儲能解決方案。

目前，公司已成功完成電解液和離子交換膜的中試生產，正在進行原型電堆的最終測試階段。

同時，他們也已啟動種子輪融資，以支持後續的產品開發和市場推廣。

提高鹵化物體系的充電狀態利用率

而之所以開展本次研究，既源於之前他們在有機體系的水系液流電池（aq-RFBs）方面的廣泛研究，也源於希望探索新的無機體系前沿領域的願望。

同時，之所以轉向鹵化物體系，是因為它們在實際應用中展現出更加顯著的潛力，比如造價便宜、溶解度高、電位比較正，在大規模能源存儲解決方案中表現尤為出色。

鹵化物基陰極電解質特別是溴化物和碘化物，具有較高的溶解度、以及較正的氧化還原電位，這使得它們具有很大的應用優勢。

然而，這些體系長期以來受到固有問題的困擾，比如會在充電過程中形成多鹵化物，從而會導致相分離、自放電、電解液交叉、以及釋放有毒鹵素蒸氣等安全問題。

因此，本次研究旨在解決這些關鍵挑戰，並提高這些體系的充電狀態利用率。

馮大衛表示，本次課題的起點實際上帶有一些好奇和探索的成分。

此前，他們在有機水系液流電池方面已經取得了不錯的進展，於是他們想嘗試一些不同的體系，以避免研究的單一性，同時也有助於加深對於不同電化學體系的理解。

跨體系的比較性研究，尤其吸引著馮大衛。因為來自同一研究團隊的數據更容易進行一致性分析和對比。

「因此，這項研究可以說是一個純粹基於預測性和熱力學假設驅動的項目。」馮大衛表示。

確定上述研究方向之後，課題組在第二天就用現有分子進行嘗試併成功獲得了初步結果。

隨後，他們開始收集數據、優化體系，以及深入理解這一體系的電化學行為和電化學性能。

而在研究這個體系時，涉及到大量的結構組合和性能測試。

儘管整體工作過程比較平坦，但是在機理理解上頗費功夫。

「每次我們基於已有數據有了自以為不錯的理解之後，很快被新的數據打臉。並且發現所以之前文獻對於鹵素的氧化還原都不是特別令人信服。」馮大衛說。

但這反而也讓他們能夠保持一種開放的心態，去持續深入地研究機理。

威斯康辛大學麥基迪遜分校博士生 Gyohun Choi 是第一作者，馮大衛擔任通訊作者[1]。

圖 | 相關論文（來源：Nature）

馮大衛表示：「對於我們所有的、包括之前被拒過的液流電池論文，都沒有特別離譜的審稿意見，總體感覺液流電池領域比較就事論事。

可能也是因為相比其他電化學體系，液流電池體系沒那麼複雜，數據也比較清晰，因此可評判性和可比較性就比較強。」

對於自己所在領域，馮大衛則表示：「感覺學術界和產業產品端脫鉤太嚴重。基於應用型的研究大多數還是在自娛自樂。希望大家（當然也包括他們自己）能少講點故事，少點無效內卷，以直面問題的態度去做點科研。」

「這樣既能開心地做科研，也沒那麼累，也更有希望做出真正有影響力的東西。」他最後表示。

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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