摘要：随着可再生能源（如太阳能和风能）的快速发展，固定式储能系统的重要性日益凸显。然而，现有的锂离子电池因其高昂的原材料成本（如锂、钴和镍）及易燃电解液的潜在风险，限制了其在大规模储能应用中的可行性。因此，开发低成本、安全且高效的替代方案势在必行。近日，德州农工大学

随着可再生能源（如太阳能和风能）的快速发展，固定式储能系统的重要性日益凸显。然而，现有的锂离子电池因其高昂的原材料成本（如锂、钴和镍）及易燃电解液的潜在风险，限制了其在大规模储能应用中的可行性。因此，开发低成本、安全且高效的替代方案势在必行。近日，德州农工大学的Choongho Yu和Joseph Sang-Il Kwon团队提出了一种利用聚苯胺/碳纳米管三明治结构阴极的铁离子水系电池（FIB），其创新性的电极设计简化了制造工艺及提升了电极稳定性，在长循环寿命和低成本方面具有显著优势。

铁离子电池相比其他水系电池（如锌离子电池）具有更高的理论容量（960 mAh/g 和 7557 mAh/cm3）和显著更低的成本（铁的价格分别是锂和锌的约1/200和1/40）。尽管铁离子电池具有诸多优势，但其发展仍处于初级阶段，主要受到短循环寿命和不完善工作机制研究的限制。现有的聚苯胺（PANI）-铁离子电池研究多依赖昂贵的电解液（如 Fe(OTf)2），限制了其成本优势。本文通过采用廉价的硫酸亚铁电解液、碳钢阳极和聚苯胺/碳纳米管复合阴极，显著提升了铁离子电池的综合性能。通过密度泛函理论（DFT）计算及非原位XPS实验，解析铁离子在聚苯胺阴极中铁离子的嵌入机制，重点研究铁与聚苯胺中氮位点的相互作用及其对应的电化学电位变化。该铁离子电池在5C倍率下的放电比容量高达225 mAh/g，在15C倍率下循环27000次后仍能保持82%的容量。该铁离子电池在长循环寿命、低成本和安全性方面展现了巨大潜力。碳钢阳极和 FeSO4 电解液成本极低，使得其储能成本低于锂离子电池和铅酸电池。

图1. (a) 聚苯胺/碳纳米管三明治结构阴极的制备过程及SEM；(b) 充放电过程的示意图。

图2. (a) 全电池在不同充放电倍率（1C = 300 mA/g）下的比容量。(b) 不同倍率下对应的充放电电压曲线。(c) 全电池在15C充放电倍率的循环性能。

图3. 3D圆柱形电池示意图及充放电循环性能。

这一成果近期发表在Energy & Environmental Science 上，文章的第一作者是德州农工大学博士后张宇帆（负责实验部分）和博士后Chi Ho Lee（负责模拟部分）。通讯作者为德州农工大学Choongho Yu教授和Joseph Sang-Il Kwon副教授。

Low-cost, Resilient, and Non-flammable Rechargeable Fe-ion Batteries with Scalable Fabrication and Long Cycle Life

Yufan Zhang+, Chi Ho Lee+, Md Zahidul Islam, Joseph Sang-Il Kwon*, Choongho Yu*

Energy Environ. Sci., 2025, DOI: 10.1039/D4EE03350G

来源：X一MOL资讯