氨基甲磺酸对钒液流电池VO2 + 电化学行为的分子动力学模拟及沉淀抑制机制研究

为解决钒液流电池(VRFB)正极电解液中VO2 + 离子聚集沉淀导致性能衰减的问题，山东大学研究人员通过分子动力学模拟揭示了氨基甲磺酸(AMSA)的双功能团调控机制。研究发现AMSA通过竞争吸附使VO2 + 聚集离子比例从32.4%降至2.7%，同时抑制V2 O5 沉淀形成，为高稳定性电解液设计提供了理论指导。

　　

在全球能源转型背景下，钒液流电池(VRFB)因其卓越的规模可调性和循环寿命成为储能领域的研究热点。然而正极电解液中VO₂
⁺
离子在高温下易形成V₂
O₅
沉淀，不仅堵塞电堆还会降低电子转移效率。传统添加剂如甲磺酸(MSA)虽能改善性能，但会干扰电极吸附过程。更棘手的是，含双功能团的氨基甲磺酸(AMSA)虽表现出更好的稳定效果，其分子层面的作用机制却始终未能阐明。

山东大学研究人员在《Materials Today Chemistry》发表的研究中，创新性地采用多尺度分子模拟技术，构建了包含石墨电极、VO₂
⁺
电解液及添加剂的复合体系。通过界面吸附行为分析、离子扩散轨迹追踪以及沉淀前驱体建模等关键技术，首次从原子尺度揭示了AMSA的双重调控机制。特别值得注意的是，研究团队开发了表面修饰H/O原子的石墨电极模型，成功模拟了带电电极界面的真实环境。

吸附模型构建
通过建立60.00×30.60×42.60?的非晶胞电解液体系，研究人员发现AMSA的-SO₃
H和-NH₂
双功能团能形成"分子锚定"效应，使VO₂
⁺
在电极表面的吸附能提升42%，而传统MSA添加剂会占据20%的活性位点。

电极界面行为
均方位移(MSD)分析显示，AMSA体系下VO₂
⁺
的扩散系数较空白组提高35%，且各向异性扩散现象显著改善。径向分布函数证明AMSA能破坏VO₂
⁺
的聚集网络，使其第一水化层水分子数从4.2增至5.8。

结论与意义
该研究阐明了AMSA通过"界面锚定-体相分散"的双重机制：在电极表面，其-NH₂
基团通过氢键间接引导VO₂
⁺
定位；在电解液中，-SO₃
H基团则有效阻断VO₂
⁺
的聚集路径。这种协同作用使V₂
O₅
沉淀前驱体形成能垒提升2.3倍，为开发新一代VRFB电解液添加剂提供了明确的设计原则。

这项由Anqi Guo等学者完成的工作，不仅解决了添加剂作用机制不明的关键科学问题，其建立的带电界面模拟方法更为其他电化学体系的分子设计开辟了新路径。特别值得关注的是，研究中发现的"功能团空间位阻效应"可能普遍适用于各类液流电池系统，这对推动大规模储能技术的发展具有深远意义。