第一作者：Fei Ai
通讯作者：卢怡君
通讯单位：香港中文大学
DOI：10.1038/s41560-026-02152-0
《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》
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向可再生能源电力转型，提高了对能够长期提供可靠供电的储能技术的需求。氧化还原液流电池（RFBs）适用于此类应用，因为主要可通过增加更多电解质来扩展能量容量，而无需扩大整个电化学电堆的规模。然而，也意味着与电解质相关的成本将成为整个系统经济性的主要驱动因素。
1.廉价材料并不会自动生产出廉价的电池
硫基电解质为降低电解质成本提供了直接途径。硫是一种储量丰富的工业副产品，全球年产量约为8×10⁷吨，远高于钒的产量（钒是一种价格昂贵且供应受限的材料，常用于传统RFB电解质）。多硫化物兼具高溶解度和多电子氧化还原化学特性，为开发高能量密度电解质提供了可行路径。多项独立的技术经济分析表明硫基氧化还原液流电池（SRFBs）是低成本长时储能领域具有前景的候选方案。然而，商用电池系统的经济性不仅取决于电解质层面的成本；在实际应用中，硫的低成本很容易因循环寿命不足、持续性的多硫化物交叉渗透、低功率密度、往返效率降低，或由于电解质膜成本过高，或长期运行下耐久性不足而遭到抵消。
因此，挑战不仅在于寻找低成本材料，更在于理解哪些科学和工程方面的瓶颈最终决定了系统性能与成本。此外，作者团队在开发SRFBs方面的研究也认识到随着技术迈向商业化阶段，瓶颈会不断演变。从实验室发现到实际部署，进展并非呈直线推进；解决的每一个问题都会暴露出新的限制，从而重新界定优先事项，并往往迫使对技术本身进行改进。
2.商业化进程暴露出不断演变的瓶颈
第一个瓶颈在于使用寿命。
Regenesys Technologies Limited曾试图在20世纪90年代实现硫–溴系统的商业化应用。然而，由于多硫化物交叉渗透和不可逆副反应导致容量快速且严重衰减，项目最终被放弃。此经验教训十分明确：要实现稳定运行，必须有效管控交叉渗透和副反应。
为解决多硫化物交叉渗透问题，作者团队为商用全氟磺酸膜开发了一种电荷增强型离子选择性涂层，以抑制多硫化物迁移，实现稳定的长期循环性能（图1a）。此进展将SRFBs的循环寿命从不足60次提升至500次（>2227小时），达到了实际应用所需的稳定性水平，从而为中试生产及Luquos Energy Limited的成立奠定了技术基础。交叉控制延长了测试时长，但并未解决商业化问题；相反，暴露出了另一个瓶颈：多硫化物反应的动力学过程缓慢，限制了可实现的功率密度。因此，要保持相同的额定功率，要么需要更大的活性面积，要么需要在电堆中增加额外的电池层。但会增加所需的膜、电极、双极板和密封材料数量，从而大幅削弱最初在材料成本方面获得的优势。
泡沫镍一直是SRFBs中最常用的多相催化剂，但在放大过程中面临严峻挑战：持续的硫腐蚀、机械性能退化、反应位点有限，以及难以制备出均匀的大面积电极。为克服这些限制，作者团队引入了一种可溶性核黄素磷酸钠分子催化剂，通过均相催化加速多硫化物的氧化还原反应。由于该催化剂可直接溶解于循环电解质中，因此既能消除腐蚀和机械问题，又能实现均匀且与系统兼容的电子传递速率和功率密度的提升（图1b）。
然而，在该技术趋于成熟之前，仍需解决其他瓶颈问题。在非对称SRFBs中，膜必须同时实现高多硫化物截留率以保障长期稳定性，以及足够的离子传输能力以实现高功率运行。作者团队通过开发具有分散式离子传输通道的非氟化膜解决了此权衡问题。这类膜在保持高效钾离子传输的同时，提高了多硫化物截留率（图1c）；与全氟化膜相比，其材料成本也显著降低。
然而，将这些烃类膜的应用规模从实验室生产层面进一步拓展时，暴露出一些在材料开发阶段并未显现的挑战。作者团队发现膜的有效性不仅取决于聚合物化学，而且在很大程度上取决于浇注浆料的制备和加工方式。聚合物添加顺序、混合速度及叶轮几何形状均会影响浆料的均匀性。受控加热和真空脱气被证明对于降低黏度及消除夹带空气至关重要，尤其是在处理大体积浆料时。在浇铸过程中，必须严格控制温度、湿度及干燥条件，以防止溶剂蒸发不均、厚度变化及局部缺陷。浇铸装置的机械稳定性同样至关重要，因为即使轻微的振动或位移也可能扰动湿膜，从而影响厚度均匀性。这些问题迫使作者团队将关注重点从单纯的离子传输性能扩展到加工性、可重复性和生产收率等方面。这些因素对于实现成本效益良好的规模化生产变得愈发关键。
3.集成系统设计与部署
基于这些进展，作者团队从电池级验证转向了系统级开发。此转变要求作者团队同时优化电堆架构、流场设计、膜制造、电池管理系统和能源管理系统（图1d）。随后，第一代SRFB被集成到中国深圳的一个电动汽车充电站中，由综合能源服务提供商Towngas Smart Energy商业运营。一年后，第二代系统以三分之一的成本实现了两倍功率密度，部署在集成太阳能–储能–充电系统中，为香港元朗的一个鱼菜共生农场提供合同服务，标志着早期商业示范的达成（图1e）。此步的重要性不仅在于展示了功能完备的电池系统。更重要的是，超越受控的规模扩展环境后，作者团队识别出了一系列新的挑战，这些挑战是传统现场测试无法捕捉到的。
图1.从材料创新到硫基氧化还原液流电池（SRFBs）的系统部署
在实验室研究或简单的大规模测试中，电池性能通常是在严格受控的条件下进行评估的，并采用预先定义的循环方案、电流密度、温度和电解质流量。而实际运行要求电池能够应对动态功率曲线、波动的负荷需求以及长期变化的运行条件。因此，可靠性不再只能通过循环稳定性、往返效率和在标准方案下测得的电流密度等传统指标来评判；还必须进一步评估系统在真实运行条件下实现预期功能的稳定性和可靠性。除了电化学性能，特别是随着部署规模的扩大，长期运行稳定性、大型组件的一致性、制造再现性和维护要求等因素变得越来越重要。归根结底，问题已从“电池在受控条件下是否表现良好”转变为“整个系统能否以可接受的全生命周期成本提供可靠服务”；后者才是衡量商业可行性的真正标准。这些实际考量深入到了系统设计层面。在电堆层面，随着有效面积和电池单元数量的增加，维持整个电堆内均匀的压缩难度日益增大，因此需要额外的机械支撑。液压设计也成为另一项约束因素。由于导电电解质会在具有不同电位的电池单元之间形成电通路，因此必须对电解质流路的长度和几何形状进行精细优化，以抑制分流电流，同时避免引入过大的压降和泵送损失。在系统层面，电堆和管道布局需要在紧凑性与可维护性之间取得平衡，确保泵、阀门及其他组件始终便于检查和维护。最后，集成多个电堆意味着需要超越固定运行条件的模式，转向动态监测与控制；电堆电压、电流、电解质流量和温度将成为调整泵运行及界定安全运行限值的关键信号。这些因素在受控的实验室实验中往往容易被忽视。然而，一旦系统安装完毕并预计能够提供可靠服务，机械、液压及控制工程的重要性便与电堆本身的电化学性能相当。
4.打通商业化与发现之间的闭环
根据作者团队的经验，商业化并非研究的最终阶段，而是一个持续重塑研究进程的过程。
首先，实际部署会改变对实验室性能解读的方式：膜选择性决定了运行寿命；多硫化物动力学和膜电导率会影响所需的活性面积、电堆尺寸，进而影响功率成本；电解质浓度和电池电压则会影响系统的占地面积。这些特性通常被单独进行优化，但如今它们会直接与系统级成果相关联。因此，明确这些关联有助于将研究重点放在与商业可行性最相关的特性上，而非仅仅追求使实验室性能指标最大化。
其次，商业化进程揭示出一系列不断演变的科学与工程瓶颈。解决某一约束条件往往会暴露出下一个瓶颈。控制多硫化物交叉渗透使得系统能够实现更长时间的运行，而反过来又使反应动力学缓慢和功率受限等问题变得更加突出。随着材料性能的提升和技术规模的扩大，关注点必然转向膜的可制造性、电堆组装、流场分布、旁路电流控制以及整体系统运行。这些挑战彼此紧密关联：材料方面的进步会重塑工程需求，而系统层面的实践经验则可能为材料研究揭示新的优先方向。因此，进展取决于工程实施与科学创新之间的持续反馈，而非将二者视为开发过程中的独立阶段。
第三，技术经济分析决定了研究重点。将储能平准化成本分解为电解质、膜、电堆、系统配套设备及维护成本等组成部分，有助于确定哪些研究方向最有可能影响系统经济性。对于SRFBs，硫本身固有的低成本使得研究重点从进一步降低电解质成本转向提高功率密度、降低膜成本、延长使用寿命以及改善电堆再生性能。
作者团队的经验表明许多最重要的科学问题只有在投入实际应用后才会显现出来。因此，在实验室研究与现实世界应用之间建立闭环联系，对于SRFBs至关重要；更广泛地说，对于将材料领域的突破性成果转化为可靠的能源技术也至关重要。