第一作者：杨灿
通讯作者：赵天寿
通讯单位：南方科技大学
DOI：10.1016/j.apenergy.2026.128528
感谢南方科技大学赵天寿院士团队校稿！
《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》
1.运行参数优化与极化损耗分析
图1.VOFC的极化曲线及反应过程研究
将阳极电解液流速从1mL min⁻¹增加至10mL min⁻¹，通过增强V²⁺供应和减少浓度极化显著提高了性能；而当流速超过60mL min⁻¹时，性能提升几乎可以忽略不计。类似地，将气流速率从10mL min⁻¹增加至100mL min⁻¹，可大幅改善阴极的质量传输，但在更高流速下，性能提升微乎其微。该电池在40°C下实现了最佳性能。适度加热加速电极动力学，增加离子电导率，降低电解质粘度；然而，电池在60 °C下的性能出现下降，很可能归因于增强的钒迁移与溶剂交叉效应产生了混合电位，并加剧了空气电极的中毒现象，从而抑制了氧化还原反应。尽管离散的测试温度并未明确界定40–60 °C区间内的精确最优条件，但测试结果清晰地揭示了：提升反应动力学与传质效率与加剧溶剂交叉效应之间存在明显的权衡关系。综合考虑电化学性能与泵送损耗因素，最终确定的最佳工况为：阳极电解液流速20mL min⁻¹、气流速率100 mL min⁻¹、温度40 °C，此时可获得77 mW cm⁻²的峰值功率密度。
在这些条件下，采用数值模型对阳极、阴极及欧姆极化损耗进行解耦分析。当电流密度高于约40mA cm⁻²时，阳极极化增幅远快于阴极极化，并随着电流密度从40mA cm⁻²增至280mA cm⁻²，占总损耗的58–64%。因此：一旦浓差极化大大缓解，电池性能主要受到缓慢的V3+/V2+电荷转移动力学和与流动无关的欧姆电阻的限制。模拟的物种分布进一步揭示阳极中V²⁺浓度梯度比阴极中的O₂梯度更为陡峭，是由于钒氧化还原反应主要发生在膜附近、石墨毡阳极厚度达数毫米，且V²⁺的扩散系数（2.4×10⁻¹⁰ m²/s）远低于O₂的扩散系数（1.4×10⁻⁵ m²/s）。因此，阳极处的质量传递和动力学限制更为严重，表明阳极是进一步提升VOFC性能的主要目标。
2.阳极优化
图2.不同阳极的物理化学表征
受VRFBs电极改性策略的启发，首先对石墨毡（GF）进行热处理以改善其表面亲水性，随后通过电沉积法在GF上制备出对V³⁺/V²⁺氧化还原对具有高催化活性的Bi纳米颗粒。SEM图像显示与相对光滑的GF及经热处理的GF表面相比，改性后的纤维表面均匀覆盖着纳米颗粒，从而增加了电化学活性位点的密度。HRTEM和EDS元素分布图进一步证实了Bi在碳纤维上的均匀分布。测得Bi的(110)和(012)晶面对应的晶格间距分别为0.224nm和0.312nm，证实了高度结晶的金属Bi的形成。
XPS分析表明，热处理使相对C–O含量从15%增至28%。经热处理及Bi改性后的电极均表现出完全润湿性，表明含氧官能团显著改善了表面亲水性。增强的润湿性可促进电解质渗透、降低V2+传质阻力，并在电沉积过程中实现与Bi3+前驱体更均匀的接触，从而改善Bi的分散性。Bi 4f谱图显示，在157.17和162.58eV处存在主导的金属Bi峰，同时在159.16和164.91eV处出现较弱的氧化Bi3+峰，归因于电极在空气暴露下发生的轻微表面氧化。
图3.阳极电化学反应分析
在循环伏安法中，TGF-Bi电极测得阳极和阴极峰电流密度分别为38.2mA cm⁻²和−37.4mA cm⁻²，较TGF电极分别提高了45%和53%；其Tafel斜率最低，为212mV dec⁻¹，而TGF电极和GF电极的Tafel斜率分别为224mV dec⁻¹和245mV dec⁻¹，同时其交换电流密度最高，达6.28mA cm⁻²，比TGF电极高87%，比GF电极高461%，表明其电荷转移动力学加速且活化极化降低。EIS测试进一步显示，Bi改性显著降低了电荷转移电阻，但未显著影响欧姆电阻。
采用基于CT重建的GF微观结构的中尺度模型，对局部极化损耗进行了量化分析。在100mA cm⁻²下，模拟的过电势范围从GF的98.4–156.9mV降至TGF的56.5–123.6mV，再降至TGF-Bi的20.2–85.4mV，是由于表面活性的提高、有效反应面积的扩大和铋纳米粒子的催化作用。模拟活性顺序GF<TGF<TGF-Bi与CV、Tafel及EIS结果高度吻合，验证了该模型，并证明TGF-Bi能有效加速VOFCs中的V3+/V2+动力学过程，同时减轻阳极极化效应。
3.电池性能测试
图4.优化后VOFC的性能评估
热处理通过改善电极润湿性并降低传质阻力，将峰值功率密度从77mW cm⁻²提升至134mW cm⁻²；随后的Bi电沉积进一步将峰值功率密度提高至213mW cm⁻²，较GF提升了177%。额外的性能提升主要归因于加速的V³⁺/V²⁺动力学：TGF-Bi的交换电流密度比TGF高出87%，比GF高出461%，从而降低了活化极化。热处理还促进了Bi³⁺前驱体的均匀渗透及Bi的均质沉积，最大化了催化效益。