第一作者：鲁文静
通讯作者：李先锋
通讯单位：中科院大连化学物理研究所
DOI：10.1038/s41560-026-02053-2
液流电池（FBs）是适用于电网级应用的最具吸引力的LDES方案之一。FBs通过液态电解质的可逆氧化还原反应储存能量，具备高安全性、良好的环境兼容性以及长循环寿命。FBs中功率与能量具有独特的解耦特性：功率由电池电堆决定，而能量容量则取决于外部储液罐中电解质的浓度和体积。这种模块化结构支持独立扩展，并适用于长期运行场景。钒液流电池（VFBs）是最成熟的液流电池化学体系之一，其工作原理基于阳极液和阴极液中钒离子的价态变化。尽管早在二十多年前就已开展早期示范，VFB的部署仍长期受限。FBs大规模商业化应用主要受到电堆功率密度不足、电解液稳定性差、组件（尤其是电解质和膜）成本高昂以及实际运行条件下出现的可靠性问题等制约。
《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》
液流电池（FBs）是适用于电网级应用的最具吸引力的LDES方案之一。FBs通过液态电解质的可逆氧化还原反应储存能量，具备高安全性、良好的环境兼容性以及长循环寿命。FBs中功率与能量具有独特的解耦特性：功率由电池电堆决定，而能量容量则取决于外部储液罐中电解质的浓度和体积。这种模块化结构支持独立扩展，并适用于长期运行场景。钒液流电池（VFBs）是最成熟的液流电池化学体系之一，其工作原理基于阳极液和阴极液中钒离子的价态变化。尽管早在二十多年前就已开展早期示范，VFB的部署仍长期受限。FBs大规模商业化应用主要受到电堆功率密度不足、电解液稳定性差、组件（尤其是电解质和膜）成本高昂以及实际运行条件下出现的可靠性问题等制约。
1.用于电堆结构功率密度的膜材料
早期的FBs使用了商业化的全氟磺化离子交换膜（如Nafion），这类膜导电性高但成本高昂（>700美元/m²）且选择性低，导致容量衰减和效率降低。价格较低的非全氟磺化芳香族聚合物（如磺化聚醚醚酮（SPEEK））则具有更高的选择性；然而，由于引入了离子交换基团，易被VO2+物种侵蚀。2012年，作者团队开发了一种多孔尺寸排阻膜，可将水合钒离子（>0.8nm）与水合质子（~0.41nm）有效分离，从而提升化学稳定性和电池寿命。然而，在钒选择性与质子传导性之间仍存在权衡关系。
通过对离子传输机制及膜结构与性能关系的深入研究，作者团队设计出不对称复合膜结构：将多孔支撑层与薄型选择性分离层相结合（图1a）。采用具有规则孔道（宽度0.5nm）的沸石材料实现高选择性。此外，作者团队还通过界面聚合技术制备了厚度为180nm的聚酰胺分离层，以防止其从支撑层上剥离。
基于早期成果，作者团队制备出一种超薄（3µm）、独立式聚合物复合膜，其在143nm的分离层中具有准有序网状结构，实现了极低的面电阻以及在整个pH范围内较低的钒渗透性（图1a）。该复合膜可在高达300mAcm⁻²下运行，同时保持超过80%的EE，有助于提升电池电堆的功率密度。该复合膜的商业化产品在电化学性能和成本方面均优于Nafion 212。其耐久性测试已突破25000次循环，年产量现已达到200000平方米，单位成本低于50美元/平方米。
2.电堆流场与设计
虽然膜是决定电堆功率的关键因素，但要实现高功率密度还需优化流场结构和电极设计，以最大限度降低浓差极化效应和传质损失。在液流电池电堆中，流场指的是分布电解液至各电极表面的通道网络系统，它既能促进电化学反应，又能调控物质传输过程。经过精准调控的流道能快速均匀地将电解液分布至各电极表面，从而避免局部浓差极化现象。然而在传统流场结构中，电极角落处容易形成滞留区域，不仅会限制物质传递效率，还会导致严重的浓差极化问题。
电堆内部的多种复杂因素共同决定了运行效率和可靠性。然而，这些耦合效应在实验中难以被单独分离和明确阐明。因此，作者团队建立了三维数值模拟模型，重点针对优化流场结构展开研究。基于对电解液流速及氧化还原活性物质浓度的分析结果，作者团队设计了梯形流场结构：该流场的横截面积沿流动方向逐渐收窄，使得流速从入口到出口逐步增加，加速了电解质的运动，并确保了电极上更均匀的分布。受这些结果启发，作者团队开发了一种采用超薄电极的电堆设计，该设计可缩短电子传输路径并最大限度地减少氧化还原活性物质的传输距离（图1b），使得电堆结构在实际工作条件下能够实现更高的功率密度。采用这些设计的新一代30kW和70kW电堆，其功率密度是早期设计的两倍，同时成本降低40%。
3.用于提高能量密度和稳定性的电解质
电解质是钒液流电池（VFB）中的能量储存介质，其氧化还原活性物质的浓度和体积决定了系统的储能容量。从历史数据来看，1MW/4MWh的VFB系统中，电解质约占总成本的30%。传统电解质含有钒离子混合物（VO2⁺/VO2⁺及V²⁺/V³⁺）、辅助电解质及添加剂，但存在能量密度低、热稳定性差的问题。当温度超过50°C时，五氧化二钒会从水合VO2⁺中析出，导致局部电压骤升并最终引发电池电堆故障。
为解决沉淀问题，作者团队系统研究了水合VO2⁺的温度依赖性转化机制。研究发现，水合VO2⁺([(VO)2(H2O)₃]+)通过四步去溶剂化和脱氢反应转化为VO(OH)₃，随后进一步生成五氧化二钒；其热不稳定性源于限速步骤中的第二步质子解离（图1c）。基于此发现，作者团队开发了一种阴离子–阳离子配位策略以抑制VO(OH)₃的转化。具体而言，配位阴离子或阳离子（如Cr³⁺）可通过增强二氧化钒离子与水分子的结合来稳定水合二氧化钒离子，从而抑制VO(OH)₃的形成及其向五氧化二钒的后续转化（图1c）。这种协同效应显著拓宽了钒电解质的热稳定性范围，使其能够在高温条件下稳定运行。因此，电解质中氧化还原活性物质的浓度从1.6M提升至2.0M，系统能量密度相应提高了约30%。融科储能目前以年产能2GWh大规模生产该电解质。
图1.膜结构、流场及电解质的设计策略
4.从试点阶段到全面推广部署
过去20年间，作者团队的工作重点始终在于将VFB转化为商业应用。关键组件（包括膜、双极板和电极）成本的降低以及电堆性能的提升，使得VFB得以从试点项目发展为并网运行系统。例如，融科储能公司于2012年生产的1MW/4MWh系统成本约为每千瓦时850美元；而改进后的系统目前成本降至约每千瓦时300美元，电堆成本也从每千瓦时超过1200美元降至约250美元。成本降低，加之电解液能量密度和稳定性的提升，使得该系统的大规模应用在经济上具有可行性。
融科储能已在华完成超过30个项目。在全球范围内，该公司已安装超过4GWh的VFB，占据示范市场的重要份额。2022年，一座100MW/400MW时的VFB调峰电站在中国大连首次并网运行；随后又在多个项目中部署了更多100MW级系统。至2025年，一套200MW/1GWh的VFB系统将与MW级光伏电站协同运行，以稳定可变可再生能源供电并提升电网可靠性。
5.经验教训与未来展望
试点测试与产业合作是将VFB研究成果转化为实际应用系统的核心环节。通过与行业合作伙伴的合作，作者团队能够在部署商业上可行的系统之前，在现实条件下构建原型并测试中试规模的VFB电堆。这些初步试验对于识别在理想化实验室条件下（如使用小型膜片、有限电解液体积以及短时恒定条件循环操作）无法显现的问题至关重要。例如，只有通过在高酸性和氧化性环境中对膜电堆进行测试，才能揭示膜的降解情况，从而为优化膜稳定性提供关键数据；因此，设计出具有高选择性、导电性能优异且耐用的膜材料才成为可能。总体而言，初步研究与基础研究共同构成了一个重要的创新循环体系，推动相关技术从概念阶段走向市场应用。
合作伙伴的选择同样至关重要。作者团队优先选择那些拥有互补技术体系、能源运营模式一致且具备关键材料制造专长的合作伙伴。所有合作项目均采用风险共担机制，确保在测试与部署环节共同承担责任。随着VFB技术向更广泛市场拓展，与已具备储能基础设施或部署经验的合作伙伴开展协作仍具有关键意义。与此同时，持续开展降低成本和提升可靠性的研究将有助于加速该技术的市场普及。
持续的科学突破对于降低系统成本和提升可靠性至关重要。重点研究领域包括开发成本更低、性能更稳定的材料（尤其是膜材料和电解质），以及开发更高功率密度的电池电堆。对于自放电问题更为严重的LDES而言，具有快速质子传输能力的高度选择性膜材料尤为关键；而要实现更高的能量密度，则亟需稳定性更强的电解质。还需在实际运行条件下考量关键材料之间的相互作用。早期在未经充分验证的情况下引入新材料的尝试已表明：必须平衡性能、耐用性和成本三者关系，而非仅追求单一指标。
优化的电堆结构对于提升物质传输与热传递效率、加速电化学反应进程至关重要。除技术改进外，电解液租赁等商业策略可降低成本；人工智能技术则能实现高效材料筛选、电堆设计及系统运行，进一步推动VFB的市场普及。