近日，上海大学材料科学与工程学院高彦峰教授团队与中国科学院青海盐湖研究所合作在高面积容量锰基液流电池的研究中取得了重要进展，研究成果以“High-Areal-Capacity Manganese-Based Redox Flow Batteries via Sodium Diphosphate-Modified Electrolyte”为题发表在材料科学研究的顶刊《Advanced Functional Materials》（影响因子18.5）。材料学院博士生刘鑫为论文第一作者，高彦峰教授、崔苑苑副教授为论文的通讯作者，中国科学院青海盐湖研究所冯海涛研究员为论文合作作者。

锰基氧化还原液流电池（Mn-RFBs）因其高氧化还原电位、低成本效益和可持续性，在大规模储能领域具有重要的应用前景。然而，Mn-RFBs中Mn³⁺歧化反应形成的MnO₂晶体在电极表面不可逆沉积，严重减少电极可利用的反应位点，限制了实际的面积容量。本研究针对上述问题，采用电解液配体螯合思路，通过焦磷酸钠（PPi）作为添加剂，调控Mn²⁺的溶剂化结构，从而转变反应生成的MnO₂晶体结构，使MnO₂流入电解液而避免沉积在电极上。最终实现了141.8 mAh cm^-2（150次循环和98.2%库伦效率）的面积容量，相比较已报道的Mn-RFBs最高面积容量文献，本研究面容量提高了1.4倍、循环性能提升了2.3倍、同时电流密度提高了1.5倍。

在无添加剂电解液中，MnO₂在电极表面不断沉积，最终形成一层致密的MnO₂层，掩盖了电极活性位点。相反，Mn-PPi电解液即使在100 mAh cm⁻²的面容量下也能保持电极的原始形态，没有MnO₂沉积在电极上，表明MnO₂倾向于流入电解液（图1）。

图1 有无添加剂电解液在不同面容量下的电极沉积情况

无添加剂电解液中，[Mn(H₂O)₆]²⁺主导的溶剂化结构促进了MnO₂向明确的晶体晶格生长，导致晶体MnO₂在电极上的逐步沉积，进而钝化电极的电活性位点。相比之下，加入PPi后，氢键网络被重新配置为[Mn(HPO₄)₂(H₂O)₂]^2-配位复合物，可能使磷酸基团整合到正在形成的MnO₂结构中，导致结晶过程中出现氧缺陷和磷掺杂。PPi添加剂的作用可能提供一个软模板，通过引入空位缺陷破坏MnO₂的晶体结构，从而促使MnO₂从晶体结构转变为非晶态。非晶态MnO₂通过静电相互作用机制在电解液中保持动态分散，保持连续再生的电极电活性界面（图2）。

图2 通过配体螯合策略转变MnO₂形貌、晶体结构及表面电位。

通过MnO₂的结构工程，本研究成功抑制了电极上的MnO₂沉积，电池能够达到91.5 mAh cm^-2（300次循环和99.7%库伦效率）和141.8 mAh cm^-2（150次循环和98.2%库伦效率，最高报道值）的面积容量，相比无添加剂的电解液提高了10倍（图3）。本研究提出了一种新颖的低成本电解液配体策略，有效提高Mn-RFBs电池的面积容量，并具有优异的循环稳定性。这一策略同样可以扩展到其它Mn-RFBs和沉积基电池系统，实现高面积容量的应用。

图3 电池长循环性能（141.8 mAh cm^-2），与已报告文献电池性能对比

该研究得到了国家自然科学基金（52372088）的资助。同时该研究由上海大学和中国科学院青海盐湖研究所共同完成。上海大学和中国科学院青海盐湖研究所围绕能源储存、能源回收、盐湖提取等问题，开展了一系列合作研究，包括液流电池、钠离子电池、电极材料回收等，得到了中国科学院青海盐湖研究所自主部署项目（E260GC0401）的大力支持，本次在AFM发表的论文是合作研究成果之一。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202509495