【研究背景】
隨著電網級儲能需求的爆發(fā)式增長，低成本、高安全性的水系電池成為研究熱點。鐵金屬因其儲量豐富（地殼含量第4）、成本極低（僅為鋅的4%）和高達960 mAh/g的理論比容量，被視為理想負極材料。
然而，鐵金屬電池的實用化進程長期受限于鐵沉積/溶出的不可逆性和析氫副反應（HER）。在溫和酸性電解液中，鐵作為HER催化劑會加劇氫氣析出，導致電極界面不穩(wěn)定、枝晶生長和電池失效。傳統(tǒng)硫酸亞鐵電解液因溶解度低（≤1.4 M），難以通過高濃度策略抑制水分活性，而氯化亞鐵體系雖性能優(yōu)異卻存在強腐蝕性、環(huán)境兼容性差等問題。開發(fā)高濃度、低成本、環(huán)境友好的鐵基電解液成為突破鐵電池技術瓶頸的關鍵。
【成果簡介】
斯坦福大學崔屹教授團隊創(chuàng)新性地提出水助溶劑調控策略，通過引入尿素作為綠色助溶劑，將硫酸亞鐵的溶解度提升至10 M，構建了高濃度硫酸亞鐵電解液（SHCE）。研究表明，尿素分子通過重構氫鍵網絡和參與鐵離子溶劑化鞘，顯著降低水分子活性，使鐵沉積庫倫效率從84.6%提升至96.5%，并實現(xiàn)了長達300小時的穩(wěn)定無枝晶循環(huán)。該技術不僅解決了鐵電極的不可逆難題，更將電解液原料成本降低約90%，為鐵金屬電池的規(guī)模化應用提供了全新路徑。
研究成果發(fā)表于頂級期刊《Nature Communications》，標題為“Hydrotrope-enabled high concentration aqueous electrolytes for reversible and sustainable iron metal anodes”。
【研究內容】
1. 機理創(chuàng)新：水助溶劑重構溶劑化結構與氫鍵網絡
團隊通過拉曼光譜和分子動力學模擬，首次揭示了尿素在電解液中的雙重作用機制。拉曼光譜顯示，在SHCE-10 m電解液中，~980 cm-1處的v-SO42-譜帶出現(xiàn)明顯不對稱峰，證實了SO42-接觸離子對（CIPs）的形成。同時，尿素分子的對稱CN伸縮振動從~1005 cm-1位移至更高頻率，表明尿素與離子、水分子間相互作用增強。分子動力學模擬進一步量化了這一機制：在傳統(tǒng)電解液中，F(xiàn)e2+主要被5.8個水分子配位；而在SHCE中，水分子配位數(shù)降至4.4，同時每個Fe2+周圍平均結合1.2個尿素分子和0.4個SO42-。尿素通過O(urea)-H(H2O)和H(urea)-O(H2O)相互作用重構氫鍵網絡，大幅降低自由水含量，使HER過電位降低0.4 V。
圖1. 硫酸亞鐵基電解質的制備與表征
2. 性能突破：析氫抑制與沉積形貌調控
氣相色譜定量分析表明，SHCE在10次循環(huán)后的累積氫氣生成量僅為傳統(tǒng)電解液的5%。原位光學顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)電解液在施加電流后2分鐘內即出現(xiàn)大量氫氣氣泡，而SHCE中可見氣泡的出現(xiàn)時間延遲至8分鐘，且數(shù)量顯著減少。掃描電鏡形貌分析揭示了更深刻的差異：傳統(tǒng)電解液中鐵沉積呈現(xiàn)松散片狀結構，EDS mapping顯示鐵分布不均且基底銅暴露；經過10次循環(huán)后，沉積層變?yōu)槎嗫捉Y構，氧信號顯著增強，表明活性物質易氧化失活。相比之下，SHCE中的鐵沉積呈現(xiàn)致密平整的片層堆疊，剝離后銅基底殘留物極少，且殘留鐵呈現(xiàn)結晶立方形態(tài)，證實了沉積/溶出的高度可逆性。
圖2. HER的特性及其在對照電解液和 SHCE 電解液中的沉積情況的分析
電化學驗證：循環(huán)穩(wěn)定性與界面動力學提升
對稱電池測試數(shù)據(jù)顯示，SHCE使Fe||Fe電池在0.5 mA/cm2條件下穩(wěn)定運行300小時，電壓極化僅增長15%，而對照組在150小時即因枝晶導致短路失效。非對稱電池庫倫效率演化曲線顯示，SHCE將平均CE從84.6%提升至96.5%，且波動幅度從±25%收窄至±3%。穩(wěn)態(tài)電流法測試表明，SHCE-10 m的Fe2+遷移數(shù)達到0.1，是傳統(tǒng)電解液的2倍，有效緩解了界面離子濃差極化。在不同濃度電解液對比中，SHCE-10 m的CE穩(wěn)定性顯著優(yōu)于低濃度體系（SHCE-2 m和SHCE-4 m），證明高濃度對界面反應均勻性的關鍵作用。
圖3. 電化學性能對比
界面化學解密：原位構建有機-無機雜化SEI層
XPS深度剖析發(fā)現(xiàn)了SHCE獨特的界面化學行為。C 1s譜在286.5 eV處出現(xiàn)明顯的C-N峰，N 1s譜在400 eV和397 eV處分別檢測到有機胺類和金屬氮化物信號，證實尿素分解形成了有機-無機雜化保護層。S 2p譜顯示在162 eV處出現(xiàn)金屬硫化物特征峰，且在5 nm濺射后信號增強，說明陰離子衍生物種深入SEI層內部。AIMD模擬發(fā)現(xiàn)，尿素與Fe2+配位后C-N鍵長從1.37 ?延長至1.47 ?，使其還原電位升高，促進了界面層的原位形成。這種復合SEI層有效阻隔了水分子與鐵金屬的直接接觸，為均勻鐵沉積提供了物理保障。
圖4. 對溶劑化結構以及電極/電解質界面的探究
【文獻總結】
本研究通過巧妙的水助溶分子工程策略，成功解決了鐵金屬負極在水系電解液中熱力學不穩(wěn)定（析氫反應）與動力學失控（枝晶生長）的核心痛點。創(chuàng)新性地利用廉價易得的尿素作為關鍵調節(jié)劑，突破了硫酸亞鐵溶解度的理論極限，構建高濃度（10 m）的硫酸基鐵電池電解液。實現(xiàn)了庫倫效率提升至96.5%、對稱電池循環(huán)壽命超過300小時，全電池100圈容量保持率高達92%，原料成本降低90%的性能效果。尤為重要的是，該電解液體系無需復雜工藝改造即可規(guī)模化應用，為低成本儲能技術提供了切實可行的解決方案。
【文獻信息】
Hydrotrope-enabled high concentration aqueous electrolytes for reversible and sustainable iron metal anodes; Nature Communications; 2025; 10.1038/s41467-025-65160-w; https://doi.org/10.1038/s41467-025-65160-w
