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比容量锰基液流电池的研究中取得了重要进展，研究成果以“Breaking the Specific Capacity Limit: 409% Boost in Manganese-Based Redox Flow Batteries at High Current Densities with a MnO₂ Semi-Solid Slurry Electrolyte”为题发表在材料科学研究的顶刊《Nano-Micro Letters》（影响因子38.5）。材料学院博士生刘鑫和陈长副教授为论文共同第一作者，高彦峰教授、丁常胜教授、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。

电解质由活性物质与支持电解质组成，是液流电池（RFBs）中的关键组分，直接决定比容量。要实现高比容量，需使活性物质的浓度接近饱和度与溶解度极限。然而，由于硫酸根的同离子效应，导致电解液中活性锰物质的浓度较低（≤ 1M）。另一种提升比容量并降低成本的潜在策略是利用廉价的固体活性材料作为RFB的半固态或悬浮电解质。采用固液双相体系的半固态电解质，能够从根本上突破活性材料溶解度的限制，实现“无限溶解性”，从而推动高比容量RFB的发展。然而，尽管引入了炭黑、多壁碳纳米管等导电添加剂，固相反应动力学仍较缓慢，持续制约着电化学反应速率，导致工作电流密度偏低（≤ 1 mA cm^-2）。因此，有必要开发新的策略，以有效提升基于锰基RFB的比容量，同时在高电流密度下实现稳定运行。

在本工作中，团队利用低成本 MnO₂作为“固体容量库”，其放电过程中转化为Mn²⁺，第二圈后电解MnO₂进一步通过逆歧化反应激活Mn³⁺/Mn²⁺液相反应。通过这种设计可以使电池正极比容量从初始38提升到156 Ah L^-1_Catholyte，且在30-40 mA cm^-2电流密度下仍能正常充放电，同时电解液成本仅有33 US$ kWh^-2。

图1 电池充放电比容量，与已报告文献电池性能对比

同时研究了其充放电机理，发现在首圈放电过程中，商业MnO₂通过MnO₂ (s)/Mn²⁺反应溶解。该路径电位较低、界面电荷转移阻力较大，因此出现 <0.4 V 的低压平台。而经过二次充电之后，新生成的电解MnO₂结构转变、更疏松，比表面积更大、粒径更小。而这种电解MnO₂更容易发生逆歧化反应生成Mn³⁺ ，最终电化学反应转为 Mn³⁺/Mn²⁺。更高电位与更快动力学支撑电池在30 mA cm^-2电流密度下稳定运行。本研究提出了一种新颖的低成本半固态电解液策略，有效提高Mn-RFBs电池的比容量，并具有优异的循环稳定性。这一策略同样可以扩展到其它RFBs系统，实现高比容量的应用。

图2 电化学机理分析研究

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，研究成果包括Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2509495、Energy & Environmental Materials 2026, 0, e70200、J. Energy Storage 179 (2026) 123921、Electrochimica Acta 573 (2026) 149301、RSC Adv., 2026, 16, 1714等，同时本次成果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。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-026-02349-8