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近日，中和儲能聯合中國華能清潔能源研究院與中南大學團隊在硫鐵液流電池負極催化材料領域取得重要突破，將鐵酞菁（FePc）負載于石墨氈，用作S?2?/S?2?氧化還原反應的高效電催化劑。該FePc催化的硫鐵液流電池在120mA/cm2電流密度下實現67.9%的能量效率，并在1000圈循環中表現出優異穩定性。相關成果近期以"Boosting the electrochemical properties of polysulfide by iron(II) phthalocyanine and its mechanism"為題發表在Journal of Power Sources期刊。

• 研究背景

隨著全球能源需求增長和環境問題日益嚴重，開發新型清潔能源及配套儲能技術成為當務之急。硫鐵（S/Fe）液流電池因其安全性高、環境友好、成本低等優勢，在大規模儲能領域展現出廣闊前景。然而，多硫化物在充電過程中的還原動力學緩慢，嚴重限制了電池的能量效率和功率密度。本研究針對這一關鍵問題，開發了一種基于鐵酞菁（FePc）的高效電催化劑，顯著提升了硫鐵液流電池的綜合性能。

• 材料表征及性能測試

通過XRD、紅外光譜及拉曼光譜，證實采用鄰苯二甲腈與無水FeCl?反應成功合成了FePc。SEM圖像顯示FePc以細小顆粒均勻分布在碳纖維表面，形成有效的催化界面。

圖1. (a) FePc的X射線衍射圖像，(b) FePc的紅外圖像，(c) 合成的FePc的拉曼光譜，(d) 空白電極中碳纖維的掃描電鏡圖像，(e)、(f) 不同放大倍數下負載FePc的碳纖維的掃描電鏡圖像。

循環伏安測試顯示，FePc修飾電極的氧化還原峰電位差從0.64V降至0.23V，峰值電流顯著增加。通過雙電層電容測試，FePc電極的Cdl值為4.40 mF/cm2，高于空白電極的3.75 mF/cm2，表明有效反應面積增大。FePc電極的電荷轉移電阻為6.55 Ω/cm2，遠低于空白電極的34.8 Ω/cm2，Tafel斜率從388.6 mV/dec降至76.5 mV/dec，交換電流密度從0.004 mA/cm2提升至0.163 mA/cm2，顯著改善多硫離子反應動力學。

圖2. (a) FePc的循環伏安曲線（掃描速率10 mV/s），(b) FePc的雙層電容(Cdl)，(c) 150次循環后FePc的循環伏安曲線，(d) 空白與FePc的奈奎斯特圖，(e) 空白與負載FePc電極在Na?S?溶液中的塔菲爾曲線，(f) 空白與負載FePc電極的塔菲爾曲線對比，(g) 空白與負載FePc電極在多硫化物溶液中的塔菲爾斜率值比較。

GITT測試顯示FePc電池的內阻電壓降僅為0.053V，遠低于空白電池的0.337V。在20-120 mA/cm2電流密度范圍內，FePc電池均表現出更高的能量效率，在80 mA/cm2電流密度下能量效率超過75%，120 mA/cm2時仍保持67.9%。FePc電池的峰值功率密度達到206.4 mW/cm2，顯著優于空白電池的147.9 mW/cm2。經過1000次循環后，容量保持率達96.8%，容量衰減率僅為0.00214%/循環。

圖3. 以C和FePc為負極的硫鐵液流電池。(a)恒電流間歇滴定；(b)不同電流密度下電池的倍率性能；(c)電池的電壓效率和庫侖效率；(d)不同電流密度下的放電電壓和功率密度；(e)電解液利用率；(f)本研究與其他文獻報道的性能水平對比；(g)電池長循環放電容量圖；(h)電池長循環能量效率圖。

DFT計算揭示，多硫化物優先吸附于FePc中心鐵原子，中間硫物種更穩定，硫鍵易伸長，自由能勢壘降低，反應速控步驟由“電化學反應”轉向“電化學脫附”，實現高效催化。

圖4. (a) FePc上的潛在吸附位點。(b) 不同位點上兩種吸附類型的吸附能，(c) 兩種吸附過程中吉布斯自由能的變化，(d) 兩種吸附方式及鍵長變化的示意圖，(e) 多硫化物在FePc和GF上吸附過程中的自由能變化，(f) 不同吸附方式的電荷差分密度。

• 總結與展望

本研究證實，鐵酞菁（FePc）是硫鐵（S/Fe）液流電池中兼具高活性與高穩定性的高效催化劑，能夠顯著改善多硫化物氧化還原反應的動力學瓶頸，即使在高倍率工況下仍能保持優異的能量效率和長期循環壽命。此外，研究首次從分子層面明確了Fe–N?活性位點在S/Fe系統中的催化機理，揭示了其通過穩定中間體、降低能壘和加速電子轉移三重機制促進多硫化物轉化，為設計下一代低成本、高效率的液流電池催化體系提供了重要理論依據。在應用層面，FePc作為易獲取、成本低廉的有機金屬分子，不僅提升了電池運行的穩定性和循環耐久性，其性能水平已達到國際先進水平，為長時儲能技術的實際工程化應用提供了可靠的技術路徑和解決方案。

此前，中和儲能、中南大學聯合華清能源院共同研制的硫鐵液流電池系統已成功通過場內驗收，首套發電側硫鐵液流電池系統即將落地華能清能院。以高安全低成本特性適配新能源消納，獲發電側權威認可，助力新型電力系統建設。