在全球能源轉(zhuǎn)型的浪潮中，高性能、低成本的儲(chǔ)能技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)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(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，被視為極具潛力的儲(chǔ)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(shí)）以及優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性，有望解決當(dāng)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(chǔ)研究及應(yīng)用轉(zhuǎn)化進(jìn)程中仍面臨諸多關(guān)鍵性問題，例如反應(yīng)機(jī)理不明確、電化學(xué)動(dòng)力學(xué)差、循環(huán)壽命短、器件化設(shè)計(jì)復(fù)雜等。這些問題嚴(yán)重限制了其規(guī)模應(yīng)用。

近日，復(fù)旦大學(xué)水系電池研究中心趙東元/晁棟梁團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得系列攻關(guān)突破，于2025年3月接連在Journal of the American Chemical Society（《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》）、 Angewandte Chemie International Edition（《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》）、Nature Reviews Electrical Engineering（《自然評(píng)論:電工程》）三本國(guó)際期刊上發(fā)表研究進(jìn)展，為水系電池的未來發(fā)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(guān)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(duì)水系硫基電池S0/S2-反應(yīng)的催化劑研究仍處于萌芽階段，尚未開發(fā)針對(duì)性策略來選擇性加速多硫化物向硫二負(fù)離子的轉(zhuǎn)化。相比之下，傳統(tǒng)有機(jī)電解液硫電池（OSBs）中已有眾多催化劑被成功應(yīng)用，并且此時(shí)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(shí)勢(shì)在必行。然而，ASBs與OSBs在化學(xué)環(huán)境上有著顯著差異，這嚴(yán)重阻礙了OSB催化劑在水環(huán)境中催化ASB的有效性。

在Journal of the American Chemical Society發(fā)表的研究成果“Aqueous-S vs Organic-S Battery: Volmer-Step Involved Sulfur Reaction”中，團(tuán)隊(duì)揭示了水環(huán)境中硫的獨(dú)特電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，該反應(yīng)機(jī)制與有機(jī)電解液體系存在本質(zhì)區(qū)別。通過一系列譜學(xué)和電化學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)單質(zhì)硫（S8）首先被還原生成多硫化物（主要為S42?），隨后S42?進(jìn)一步與H2O直接反應(yīng)生成HS?，這一過程涉及多硫化物的轉(zhuǎn)化以及水解離的Volmer步驟。進(jìn)一步結(jié)合電化學(xué)測(cè)試與理論計(jì)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(biāo)準(zhǔn)。基于該篩選標(biāo)準(zhǔn)，本研究?jī)?yōu)選出Mo2C作為ASB的催化劑，并實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能。在5 A g?1下，Mo2C催化的ASB展現(xiàn)出1,040 mAh g?1的高比容量，顯著優(yōu)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(chǔ)機(jī)制，同時(shí)奠定了ASB催化劑設(shè)計(jì)研究的理論基礎(chǔ)，為后續(xù)水系硫基電池的發(fā)展提供了理論指導(dǎo)。

堿金屬離子-水系硫基電池在實(shí)際應(yīng)用中面臨短鏈多硫化物高溶解性導(dǎo)致的活性物質(zhì)不可逆損失問題。制造功能性硫宿主材料來抑制硫的擴(kuò)散，引入高濃度電解液以調(diào)節(jié)多硫化物的溶解度，以及設(shè)計(jì)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(jī)制仍然成謎。

在Angewandte Chemie International Edition發(fā)表的研究成果“Unveil the Failure of Alkali Ion-Sulfur Aqueous Batteries: Resolving Water Migration by Coordination Regulation”中，團(tuán)隊(duì)首次揭示了堿金屬離子（Li?、Na?、K?）驅(qū)動(dòng)的水遷移現(xiàn)象是導(dǎo)致電池失效的關(guān)鍵因素。通過第一性原理分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）模擬，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)堿金屬離子與水分子的強(qiáng)相互作用導(dǎo)致水分子在循環(huán)過程中穿過隔膜，加劇了硫的溶解和穿梭效應(yīng)。

基于此，團(tuán)隊(duì)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(shù)（MPI）陰離子（如OTf?）構(gòu)建新型配位結(jié)構(gòu)，有效抑制水遷移，減少硫的溶解和穿梭效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的Na?-ASB實(shí)現(xiàn)了1634毫安時(shí)/克的超高比容量（97.7%的硫利用率）、超過500次的循環(huán)穩(wěn)定性和340瓦時(shí)/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(shè)計(jì)提供了重要理論依據(jù)。

在實(shí)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(shí)/升），有望實(shí)現(xiàn)38.7美元/千瓦時(shí)的低成本。但SRFB目前仍處于相對(duì)早期階段，主要面臨循環(huán)壽命短、電化學(xué)動(dòng)力學(xué)差和器件化設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。

團(tuán)隊(duì)在Nature Reviews Electrical Engineering發(fā)表的論文“Aqueous Sulfur-based Redox Flow Battery”中提出，加速SRFB從實(shí)驗(yàn)室到工廠的轉(zhuǎn)變需要跨學(xué)科合作，涵蓋化學(xué)、材料科學(xué)、電氣工程、能源和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域3。面向商業(yè)化，必須注意一些關(guān)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(tuán)隊(duì)建議，通過膜改性、催化劑選用和器件設(shè)計(jì)等工程優(yōu)化，推動(dòng)SRFB的商業(yè)化進(jìn)程。具體方向包括：制備高離子選擇性和導(dǎo)電性的離子交換膜；設(shè)計(jì)低成本、高比表面積的電極材料；篩選穩(wěn)定的液相氧化還原介質(zhì)以提升多硫化物氧化還原動(dòng)力學(xué)；開發(fā)抗凍電解質(zhì)以適應(yīng)極端氣候；探索新的低成本、高可溶性氧化還原對(duì)，協(xié)調(diào)從電池到電堆和系統(tǒng)的一致性。

復(fù)旦大學(xué)水系電池研究中心趙東元/晁棟梁團(tuán)隊(duì)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(guān)鍵失效機(jī)制，還通過工程優(yōu)化策略為水系電池的商業(yè)化提供了切實(shí)可行的解決方案。這些成果為水系電池的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有望推動(dòng)其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的商業(yè)化進(jìn)程。未來，通過持續(xù)的跨學(xué)科合作和校企聯(lián)合技術(shù)創(chuàng)新，有望進(jìn)一步提升水系電池的性能，降低成本，推動(dòng)其在智能電網(wǎng)、可再生能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。