论文信息

研究背景

随着可再生能源转型加速，发展低成本、高安全、长寿命的大规模储能技术成为行业核心需求。水系铁金属电池凭借铁元素地壳储量丰沛、原料成本低廉、理论容量突出且环境友好等天然优势，被视为电网级储能的潜力候选体系。然而，铁金属负极在水系电解液中面临着严峻的析氢反应（HER）挑战。更关键的是，铁金属本身对析氢反应具有强烈的催化活性，这会形成“析氢—局部碱化—生成副产物—表面不均—加剧析氢”的自加速恶性循环，最终导致电池快速失效。传统电解液添加剂多以界面钝化为主，难以从根源解决水分子本身的高反应性问题。

文章概述

厦门大学梁汉锋课题组与阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Husam N. Alshareef课题组联合报道了一项针对性解决方案：通过溶剂同位素工程策略，成功从动力学根源上抑制了水系铁金属电池的催化析氢问题。该工作打破了传统的“添加剂被动防御”思路，直接利用重水（D₂O）作为电解液溶剂替代普通水（H₂O）。研究表明，D₂O所展现的动力学同位素效应，显著提升了析氢反应的活化能，并构建了更为稳定有序的氢键网络，从而有效“驯服”了铁阳极的析氢副反应。此外，较慢的溶剂动力学调控了阳离子传输过程，诱导了均匀、致密的铁沉积层。

基于这一策略，Fe||Fe对称电池实现了长达1600小时的超稳定循环，Fe||MoS₂全电池在0.5 A g^-1下循环2000圈后仍保持87.6%的容量。

图文导读

研究团队首先通过光谱表征与分子动力学模拟，解析了氘代电解液的微观结构差异。与H₂O相比，D₂O的O-D键键能更高，氢键网络更稳定且寿命更长，分子扩散速率显著降低，可抵达电极表面参与反应的活性水分子数量大幅减少。

图1. 电解液基本性质及析氢动力学分析

动力学分析表明，D₂O体系提高了铁的成核过电位，诱导形成更高密度的成核位点，使沉积模式从H₂O体系中二维扩散主导的不均匀生长，快速转变为三维扩散。原位pH监测、原位拉曼光谱和弛豫时间分布（DRT）分析共同验证了D₂O体系界面稳定性的提升。

图2. 电极过程动力学与界面表征

界面稳定性的提升直接转化为优异的长循环性能：在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2的测试条件下，D₂O体系Fe||Fe对称电池可稳定循环1600 h，循环寿命是H₂O体系的6.6倍；即使在10 mA cm^-2/10 mAh cm^-2的大电流密度下，仍可稳定运行200 h。

图3. Fe||Fe电池在H₂O和D₂O基电解液中的长循环性能

形貌与物相表征直观展现了两种体系的差异：H₂O体系循环后铁负极“枝晶/死铁”丛生、副产物（Fe(H₂O)₆(CF₃SO₃)₂）大量堆积；而D₂O体系中沉积层均匀致密，循环后电极表面平整，无明显厚度膨胀与副产物累积，展现出极佳的结构可逆性。

图4. Fe负极在不同电解液中的沉积形貌及物相演变

原位光学显微镜直观呈现了析氢行为的差异：H₂O体系中，铁沉积开始1分钟内便有大量气泡持续生成；而D₂O体系中气泡出现时间延迟至3分钟，且产气量显著减少。H₂O体系中剧烈的自催化析氢是电池失效的核心诱因，而D₂O通过动力学同位素效应从根源抑制析氢，阻断了“析氢—局部碱化—生成副产物—表面不均—加剧析氢”的恶化循环，实现了均匀、高可逆的铁沉积。

图5. Fe沉积过程的原位光学显微镜观察及机理示意图

为验证实际应用潜力，研究团队组装了Fe||MoS₂全电池。D₂O体系全电池在0.5 A g^-1电流密度下循环2000次后容量保持率达87.6%，显著优于H₂O体系。在此基础上制备的软包电池在活性物质负载量高达16.35 mg cm^-2的条件下仍可稳定循环50圈，放电容量达269.4 mAh，展现出良好的规模化应用前景。对照实验进一步证实，D₂O对正极宿主同样具有稳定作用，形成了“负极主导保护、正极协同稳定”的双重保护机制。

图6. Fe||MoS₂全电池与软包电池性能

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由德国化学会（German Chemical Society, GDCh）出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。