近日，中和储能联合中国华能清洁能源研究院与中南大学团队在硫铁液流电池负极催化材料领域取得重要突破，将铁酞菁（FePc）负载于石墨毡，用作S₄²⁻/S₂²⁻氧化还原反应的高效电催化剂。该FePc催化的硫铁液流电池在120mA/cm²电流密度下实现67.9%的能量效率，并在1000圈循环中表现出优异稳定性。相关成果近期以"Boosting the electrochemical properties of polysulfide by iron(II) phthalocyanine and its mechanism"为题发表在Journal of Power Sources期刊。

• 研究背景

随着全球能源需求增长和环境问题日益严重，开发新型清洁能源及配套储能技术成为当务之急。硫铁（S/Fe）液流电池因其安全性高、环境友好、成本低等优势，在大规模储能领域展现出广阔前景。然而，多硫化物在充电过程中的还原动力学缓慢，严重限制了电池的能量效率和功率密度。本研究针对这一关键问题，开发了一种基于铁酞菁（FePc）的高效电催化剂，显著提升了硫铁液流电池的综合性能。

• 材料表征及性能测试

通过XRD、红外光谱及拉曼光谱，证实采用邻苯二甲腈与无水FeCl₃反应成功合成了FePc。SEM图像显示FePc以细小颗粒均匀分布在碳纤维表面，形成有效的催化界面。

图1. (a) FePc的X射线衍射图像，(b) FePc的红外图像，(c) 合成的FePc的拉曼光谱，(d) 空白电极中碳纤维的扫描电镜图像，(e)、(f) 不同放大倍数下负载FePc的碳纤维的扫描电镜图像。

循环伏安测试显示，FePc修饰电极的氧化还原峰电位差从0.64V降至0.23V，峰值电流显著增加。通过双电层电容测试，FePc电极的Cdl值为4.40 mF/cm²，高于空白电极的3.75 mF/cm²，表明有效反应面积增大。FePc电极的电荷转移电阻为6.55 Ω/cm²，远低于空白电极的34.8 Ω/cm²，Tafel斜率从388.6 mV/dec降至76.5 mV/dec，交换电流密度从0.004 mA/cm²提升至0.163 mA/cm²，显著改善多硫离子反应动力学。

图2. (a) FePc的循环伏安曲线（扫描速率10 mV/s），(b) FePc的双层电容(Cdl)，(c) 150次循环后FePc的循环伏安曲线，(d) 空白与FePc的奈奎斯特图，(e) 空白与负载FePc电极在Na₂S₄溶液中的塔菲尔曲线，(f) 空白与负载FePc电极的塔菲尔曲线对比，(g) 空白与负载FePc电极在多硫化物溶液中的塔菲尔斜率值比较。

GITT测试显示FePc电池的内阻电压降仅为0.053V，远低于空白电池的0.337V。在20-120 mA/cm²电流密度范围内，FePc电池均表现出更高的能量效率，在80 mA/cm²电流密度下能量效率超过75%，120 mA/cm²时仍保持67.9%。FePc电池的峰值功率密度达到206.4 mW/cm²，显著优于空白电池的147.9 mW/cm²。经过1000次循环后，容量保持率达96.8%，容量衰减率仅为0.00214%/循环。

图3. 以C和FePc为负极的硫铁液流电池。(a)恒电流间歇滴定；(b)不同电流密度下电池的倍率性能；(c)电池的电压效率和库仑效率；(d)不同电流密度下的放电电压和功率密度；(e)电解液利用率；(f)本研究与其他文献报道的性能水平对比；(g)电池长循环放电容量图；(h)电池长循环能量效率图。

DFT计算揭示，多硫化物优先吸附于FePc中心铁原子，中间硫物种更稳定，硫键易伸长，自由能势垒降低，反应速控步骤由“电化学反应”转向“电化学脱附”，实现高效催化。

图4. (a) FePc上的潜在吸附位点。(b) 不同位点上两种吸附类型的吸附能，(c) 两种吸附过程中吉布斯自由能的变化，(d) 两种吸附方式及键长变化的示意图，(e) 多硫化物在FePc和GF上吸附过程中的自由能变化，(f) 不同吸附方式的电荷差分密度。

• 总结与展望

本研究证实，铁酞菁（FePc）是硫铁（S/Fe）液流电池中兼具高活性与高稳定性的高效催化剂，能够显著改善多硫化物氧化还原反应的动力学瓶颈，即使在高倍率工况下仍能保持优异的能量效率和长期循环寿命。此外，研究首次从分子层面明确了Fe–N₄活性位点在S/Fe系统中的催化机理，揭示了其通过稳定中间体、降低能垒和加速电子转移三重机制促进多硫化物转化，为设计下一代低成本、高效率的液流电池催化体系提供了重要理论依据。在应用层面，FePc作为易获取、成本低廉的有机金属分子，不仅提升了电池运行的稳定性和循环耐久性，其性能水平已达到国际先进水平，为长时储能技术的实际工程化应用提供了可靠的技术路径和解决方案。

此前，中和储能、中南大学联合华清能源院共同研制的硫铁液流电池系统已成功通过场内验收，首套发电侧硫铁液流电池系统即将落地华能清能院。以高安全低成本特性适配新能源消纳，获发电侧权威认可，助力新型电力系统建设。