January 2025

上海交通大学纪亚课题组 2024年液流电池重点研究成果总结 （感谢纪亚课题组校稿） 作者简介 纪亚，上海交通大学中英国际低碳学院副教授，博导，上海市领军人才计划获得者。分别从南京大学和新加坡国立大学获得学士学位和博士学位。研究方向为高能靶向液流电池和液流电池关键材料。纪亚副教授主持了多项重要项目，包括国家自然科学基金青年科学基金、国家重点实验室开放基金、上海市扬帆计划、上海交通大学–华威大学合作交流基金等。她还参与了多个国际合作项目，如在新加坡国家研究基金会和新加坡能源市场管理局资助的项目。曾在Joule，Advanced Functional Materials，Energy Storage Materials，Journal of Materials Chemistry A，Journal of Membrane Science等国际期刊上发表论文。担任Carbon Neutrality，eScience期刊青年编委。近期，她在国际顶级期刊Joule上发表了关于液流电池氧化还原靶向反应调控的研究论文，该研究提出了通过固相材料掺杂策略实现对靶向反应的定向控制，展示了中性水系锌铁液流电池的优异性能‌。本文总结了纪亚副教授课题组2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. 中性锌铁液流电池单分子氧化还原靶向反应的定向调控 （点击论文名称查看全文赏析）    水性氧化还原液流电池（ARFB）是一种有前景的长时储能系统，但由于液体电解质的固有特性，其能量密度较低。本文报道了一种中性水性[Fe(CN)6]3-/4–LiMnxFe1-xPO4/Zn氧化还原靶向液流电池。通过调控LiMnxFe1-xPO4固体材料的成分，精确控制并匹配了LiMnxFe1-xPO4与[Fe(CN)6]3-/4-的氧化还原电位，首次揭示了水性靶向氧化还原液流电池中靶向反应的定向调控及其与氧化还原电位差之间的定量关系。这项工作结合实验和密度泛函理论（DFT）计算，证明LiMn0.2Fe0.8PO4是与[Fe(CN)6]3-/4-最佳匹配的固体材料，具有几乎相同的氧化还原电位，并达到最高的靶向反应程度（固体材料利用率78.4%）。此外，[Fe(CN)6]3-/4–LiMn0.2Fe0.8PO4/Zn氧化还原靶向液流电池在10 mA cm-2下表现出优异的电池性能，包括高库伦效率（CE，99.9%）、能量效率（EE，84.9%）、容量保持率（99.8%）和能量密度（118.3 Wh L-1，是空白电池的5.6倍）。 2. 水性有机氧化还原靶向液流电池的电位预测：DFT计算和实验验证 （点击论文名称查看全文赏析）  水性有机氧化还原液流电池（AORFB）面临着低能量密度的挑战，这可以通过将固体材料（SM）与氧化还原介质（RM）整合的氧化还原靶向（RT）反应策略来解决。然而，SM和RM之间的电位匹配要求很高且很复杂。本文建立了一种精确的密度泛函理论（DFT）计算方案来预测RT-AORFB中的氧化还原电位，其中蒽醌-2,7-二磺酸（AQDS）衍生物为RM，聚（N-蒽喹啶吡咯）（PAQPy）为SM。结果表明，1,8-二羟基蒽醌-2,7-二磺酸（1,8-DHAQDS）和PAQPy（电位分别为-1.08V和-1.09V相比于SHE）具有精确的潜在匹配。此外，氢键会使仿真结果更加逼真，证明了AQDS衍生物和PAQPy的GFE差异增加时的正电位偏移。为了进一步阐明氢键的影响机理，将静电势（ESP）和HOMO-LUMO间隙与吉布斯自由能（GFE）结合在一起。结果表明，引入氢键导致电子隧穿距离延长和HOMO-LUMO间隙变大，导致更高的GFE差和正电位位移。值得注意的是，实验验证结果与理论电位计算结果吻合良好。根据预测结果，使用匹配良好的1,8-DHAQDS和PAQPy成功构建了RT-AORFB（水性有机氧化还原靶向液流电池），与使用1,8-DHAQDS的空白AORFB相比，容量提高了3.86倍。在这项工作中，具有GFE、ESP和HOMO-LUMO间隙的集成DFT方法为准确预测RT系统中氧化还原电位提供了一种有前途的方法。 3. 带有聚多巴胺桥接PTFE纳米颗粒的高性能SPEEK膜用于钒氧化还原液流电池  （点击论文名称查看全文赏析） 随着碳中和环境下储能技术的需求不断增长，钒氧化还原液流电池（VRFB）已成为出色的长时储能系统。开发高性能离子交换膜对于VRFB 的广泛应用至关重要。本文通过仿生聚多巴胺（PDA）桥将聚四氟乙烯（PTFE）纳米颗粒掺入磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜中，设计出一种SPEEK/PTFE膜。PDA通过其丰富的官能团将SPEEK膜和疏水的PTFE纳米颗粒紧密结合在一起。最佳SPEEK/PTFE-0.5%膜的离子选择性是Nafion 115的8.9倍。值得注意的是，采用最佳SPEEK/PTFE-0.5%膜的VRFB表现出优异的电池性能，包括在100 mA cm-2条件下的出色库伦效率（CE，99.5%）和能量效率（EE，86.3%），超过了Nafion 115（CE，95.8%；EE，83.4%）。此外，采用SPEEK/PTFE-0.5%膜的VRFB还表现出优异的循环稳定性，与Nafion115相比具有更高的容量保持率（300次循环后为71.4%），这表明其具有长期运行的能力。这项研究表明，在复合膜中设计PDA桥接是开发高性能RFB膜的有效方法。   4. 用于氧化还原液流电池的电纺多孔碳纳米纤维电极：进展与机遇 （点击论文名称查看全文赏析）  氧化还原液流电池（RFBs）较低的能量密度和效率限制了其应用，尤其是在对储能装置的重量和尺寸有严格限制的情况下。电解质中活性反应物的副反应会严重降低RFB的容量和效率。在这方面已经做出了许多努力，例如开发高选择性离子交换膜和优化RFB的设计。另一种有效的方法是开发高性能电极，使电化学反应更快，从而提高氧化还原液流电池的能效。RFB中最常用的电极是碳基电极，包括石墨毡、碳毡和碳纸。碳基电极具有成本低、导电性高、稳定性好的优点。然而，它们的电化学活性和可逆性较差。本征处理和引入催化剂是解决这些挑战的两种常用手段。另一种有希望提高RFBs中电极电化学性能的方法是开发具有高活性表面积的多孔碳电极。静电纺丝是一种利用电力制备CNFs的独特技术。电纺碳纳米纤维（CNFs）由于其高比表面积和优异的稳定性而被用作RFB电极。然而，CNFs表面电化学反应的活性位点有限，导致反应动力学缓慢。因此，在RFB中开发高性能电极具有重要意义。本文综述了近年来通过静电纺丝法制备多孔碳基电极的研究进展，重点介绍了多孔电纺CNFs的合成方法与表征技术。同时，分析了多孔电纺CNFs在提升电池性能方面的作用机制及相关反应机理。此外，本文展望了多孔电纺CNFs在液流电池领域的应用潜力，并讨论了未来的发展方向。   论文列表 [1] Cai, Y.; Zhang, H.; Wang, T.; Xi, S.; Song, Y.; […]

南方科技大学赵天寿院士 2024年液流电池重点研究成果总结 作者简介 赵天寿，中国科学院院士、能源科学与工程热物理专家。1983年毕业于天津大学热物理工程系，1986年获该校硕士学位，1995年获得美国夏威夷大学博士学位。现任南方科技大学讲席教授、美国机械工程师学会(ASME) Fellow、英国皇家化学学会(RSC) Fellow、曾获Croucher资深研究成就奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、国家自然科学二等奖、香港科大工程学杰出研究成就奖。入选Clarivate/Thomson Reuters 全球高被引科学家和最有影响力科学思想名录。任国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主编与Energy & Environmental Science顾问编委。 赵院士长期致力热质传递理论和电池储能技术的研究。针对国家对可再生能源利用的重大需求，围绕燃料电池、液流电池、金属空气等流体电池储能装置中能量传递与转换关键科学问题，建立了电池储能系统中热质传递和电化学能量转换的耦合理论，提出了热、质、电子及离子协同传输方法，突破了高功率流体电池设计的关键技术。提出了以可充放电的液态能量载体储电的新方法，发明了充、放电装置彼此独立的新型储能系统，取得了系统效率与输出功率的同时跃升，将在解决风光电并网难题、实现可再生能源规模利用、解决空气污染与气候变化问题等方面将发挥重要作用。本文总结了赵天寿院士2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. 一种具有高度变化流道的对流增强流场用于氧化还原液流电池 （点击论文名称查看全文赏析）  扁平流道蛇形流场可以有效提高氧化还原液流电池的性能。然而，在传统设计中，靠近流道端侧的相邻通道之间的边缘压差导致这些区域的对流较弱，增加了局部浓差极化。此外，在放大的氧化还原液流电池堆中，这一问题将加剧。在这项工作中，赵天寿院士团队提出了两种具有高度变化流道的改进蛇形流场，以调节流道下区域的电极压缩比，增强流道端侧附近电极中的对流。因此，活性物种分布更均匀，从而提高了电池性能。具体而言，在电流密度为200mA cm-2、流量为3.4 ml min-1 cm-2、有效面积为117 cm2的条件下，与传统扁平流道相比，具有斜坡流道的钒氧化还原液流电池的V2+均匀性、能量效率和系统效率分别提高了21%、2.7%和2.7%。  2. 理解和增强钒氧化还原液流电池的肋下对流流场结构  由相邻通道之间的压力差驱动的肋下对流流场结构对钒氧化还原液流电池的性能起着至关重要的作用。然而，关键几何特征与肋下对流之间的相关性尚不清楚，这限制了对流动相关输运机制的探索和高性能流场的发展。本文建立了一个集流体流动、质量传递和电化学反应为一体的三维模型，并以旋转蛇形流场为例，通过调整临界几何特征来增强肋下对流。结果表明，通道分数和通道深度的变化可以通过影响局部区域（即肋下对流强度）内活性物质输运速度来缓解浓差极化，而不会使活性物质输运分布恶化。更值得注意的是，具有最佳几何特性的电池能够在电流密度为150 mA cm-2和流量为40 ml min-1的情况下提供更好的基于泵的总效率（91.4%）。本研究全面分析了流场几何特性与肋下对流之间的关系，为高性能钒氧化还原液流电池的设计提供了指导。  3. 平衡水系氧化还原液流电池电解液的能量密度和传输特性 （点击论文名称查看全文赏析）  提高氧化还原液流电池（RFB）中氧化还原活性物质的浓度可以提高系统的能量密度，从而减少电解液储罐的体积和系统占地面积。然而，电解液的传输特性（粘度、扩散系数和离子电导率）取决于浓度，会显著影响物质和电荷传输，从而影响电化学反应和电池性能。为了平衡能量密度和传输特性，南方科技大学赵天寿院士团队研究了电解液浓度和传输特性之间的关系。研究发现随着浓度增加，电解液的粘度增加，扩散系数降低，电导率先增加后降低，这种浓度依赖性与氧化还原活性物种的流体动力学半径及其相互作用有关。此外，该团队开发了一种预测水系RFB性能的瞬态集总模型，用于评估不同电解液浓度下的传输特性及其对电池性能的影响。该模型可以预测实现电池最佳性能的氧化还原活性物质的最佳浓度。并且使用全钒RFB对结果进行了实验验证，该方法也适用于不同类型的RFB。 4. 液流电池运行过程中析氢导致的电解液流动阻力增加和堵塞 （点击论文名称查看全文赏析）  在液流电池电堆并联的液体供应系统中，电解液流量的分布与每个分支的流动阻力密切相关。然而，化学和物理过程产生的气泡往往会积聚在电极孔中，阻碍电解液流动，导致电解液分布不均。为了研究恒压差条件下气体逸出对液体流动的影响，南科大赵天寿院士和上海交大叶强副教授团队提出了一种用于单电池测试的重力驱动电解液进料系统，该系统模拟了实际电池电堆运行中的流动情况。在气泡和液体流动的相互作用下，“mA cm-2”级的析氢反应显著减少了通过多孔电极的电解液流量。当压差降至临界阈值以下时，电解液流速继续显著降低，甚至可能完全停止。足够的进液压差对于提高气泡去除效率至关重要。  5. 采用金属配位配合物作为氧化还原活性物质的氧化还原液流电池最新进展  采用可持续、丰富且结构可调的氧化还原活性物质的氧化还原液流电池（RFB）在大规模储能中具有广阔的应用前景。作为一类重要的氧化还原活性物质，具有有机配体和过渡金属离子中心特性的金属配位配合物（MCC）因其多电子电荷转移、高结构可调性和减少材料交叉等优点而受到越来越多的关注。本文概述了在水系和非水系介质中使用 MCC 作为氧化还原活性材料的 RFB。全面总结了MCCs的设计策略、溶解度特性、电化学性质和电池循环性能等研究进展。重点介绍了用于调节MCCs关键性质的配体选择和修饰策略，包括其氧化还原电位、溶解度、循环稳定性和电子转移氧化还原反应，以实现具有高能量密度的稳定循环RFBs。此外，本文还讨论了与开发基于 MCC 的 RFB 用于大规模储能实施相关的当前挑战和前景。  6. 基于N-杂环连接TEMPO和双电子联吡啶的高可溶性和无交叉性全有机氧化还原电对用于水系液流电池 （点击论文名称查看全文赏析）  水系有机氧化还原液流电池（AORFBs）是安全、可持续的固定储能技术。然而，交叉污染、有限的电池电压和较差的循环稳定性仍然是其面临的挑战。为此，本研究团队设计了具有多电荷的N-杂环取代TEMPO（TMP-TEMPO）和吡咯烷/铵接枝联吡啶（[PyrTMAV]Cl4）氧化还原电对用于高性能AORFBs。整个材料制备过程相对简单，只需要两到三个合成步骤。TMP-TEMPO和[PyrTMAV]Cl4分别显示出2.4M和1.71M的高水溶性、优异的电化学可逆性和快速的氧化还原动力学。值得注意的是，将多种电荷引入活性材料中可以对离子交换膜产生强烈的吉布斯–唐纳效应，从而防止分子渗透通过膜，避免活性分子的交叉污染。通过使用无交叉的TMP-TEMPO和双电子[PyrTMAV]Cl4氧化还原电对，在0.2M的电子浓度下组装的双电子AORFB在O2含量为10 ppm和100 ppm的环境中表现出稳定的电池性能，在数百次循环（268和310次循环）中的容量保持率超过99%，获得了约89%的高能量效率和接近100%的库仑效率。此外，AORFB在1.5M的超高电子浓度下实现了约37.4

中科院大连化物所李先锋研究员 2024年液流电池重点研究成果总结 作者简介 李先锋，研究员，博士生导师，现任中国科学院大连化学物理研究所副所长、储能技术研究部部长。国家杰出青年科学基金获得者，国家万人计划“科技创新领军人才”，享受国务院政府特殊津贴。长期从事电化学储能技术特别是液流电池储能技术的基础研究和产业化开发工作。获包括中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖和专利金奖(排名第1)、辽宁省技术发明一等奖(排名1)、中国科学院科技促进发展奖(排名1)、国家技术发明二等奖(排名3)，中国科学院杰出科技成就奖(排名2)、青山科技奖、科学探索奖等科技奖励。在Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Mater., Chem. Soc. Rev., Sci. Bull. 等杂志发表SCI论文300余篇，引用18000余次，H因子74。授权发明专利300余件，国际授权专利10余件。担任Chinese Chemical Letters、Advanced Membranes、Renewables副主编，Science Bulletin执行编委, J. Energy Chem., Sustainable Energy & Fuels (RSC), 储能科学与技术等杂志编委。作为项目负责人主持和负责了包括国家973计划项目、国家杰出青年科学基金、中国科学院先导A专项、国家自然科学基金以及与企业合作技术开发项目30余项。本文总结了李先锋研究员2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. 溴基液流电池的电解质：挑战、战略和前景 （点击论文名称查看全文赏析）  溴基液流电池(Br-FBs)因其高正电位、高溶解度和低成本的优势，被广泛应用于固定式能源存储领域。然而，Br-FBs仍面临诸多严峻挑战，包括溴的交叉扩散、Br2/Br– 氧化还原对的反应动力学迟缓以及枝晶问题。为推动Br-FBs的进一步工业化发展，研究者们在电极、膜材料和电解质等关键材料上投入了大量努力。其中，电解质优化因其高经济性和可行性，被认为是最具前景的策略之一，包括电解质成分优化和电解质流动优化。本文首先总结了Br-FBs电解质的物理化学性质及其成分，特别是回顾了光谱表征方法，以提供全面的分析工具，指导电解质的设计与改性。随后，分析了电解质相关的主要挑战，并总结了相应的解决策略。此外，还提出了电解质优化在实现高性能和长寿命Br-FBs中的潜在机遇。通过这些内容，本文为Br-FBs的进一步示范应用提供了启发和指导。  2. 锌基液流电池前景（点击论文名称查看全文赏析）  锌基液流电池技术被认为是一种有前景的分布式储能解决方案。然而，它们在实际应用中仍面临挑战，例如锌枝晶和阳极面容量有限、功率密度相对较低和可靠性差的问题。本工作中，中科院大连化物所李先锋&袁治章研究员团队首先从基础研究和工程应用的角度回顾了锌基液流电池技术的电池组件、电堆和示范系统的发展，接着简要讨论了锌基液流电池技术的未来挑战和应用前景。  3. 利用有机配体在阳极和阴极之间建立人工电桥，实现锌基液流电池的可持续发展 （点击论文名称查看全文赏析）  锌基液流电池因其高能量密度和低成本的优势，正受到广泛关注。然而，它们的可靠性通常受到阳极锌枝晶的限制，这主要是由于锌物种在溶液中的转移速率与其在阳极上的电化学反应速率之间存在巨大差异。为了解决这一问题，本文通过有机配体工程设计了一种人工桥接结构，将阳极与电解液连接，以实现锌物种从溶液到阳极界面区域的快速转移。配体通过与锌物种的配位作用，先在溶液中形成定向三维传输通道，再通过吸附在阳极表面，进而实现锌形态的高度均匀和致密。采用这种有机配体的碱性锌–铁液流电池在40 mA cm-2的电流密度下，经过700小时稳定循环，库伦效率平均达到98.04%，能量效率为88.53%。这项工作为解决锌枝晶问题提供了一种有前景的解决方案，并为开发高可靠性电解液以支持低成本、可持续发展的锌基液流电池提供了新思路。  4. 溴与 Ti3C2Tx MXene 载体的可逆固态络合：超低自放电溴基液流电池的高活性电极 （点击论文名称查看全文赏析）  溴基液流电池（Br-FBs）因其高能量密度和低成本的优势，在固定式储能领域备受关注。然而，Br-FBs的广泛应用受到Br2/Br–氧化还原对反应动力学缓慢和溴的严重交叉扩散的阻碍。尽管在电解液中添加溴络合剂（BCA）可以有效抑制溴的交叉扩散，但通常会恶化反应动力学性能。在本研究中，作者利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对Ti3C2Tx MXene进行插层改性，用作Br-FBs的电极材料。在该设计中，CTAB作为BCA形成稳固的溴固体络合物，同时Ti3C2Tx MXene作为高活性载体。基于这种强且可逆的固体络合作用，溶解态溴物种的扩散被完全抑制，而固体络合物对反应动力学的不利影响也被成功克服。因此，组装的锌–溴液流电池在抑制自放电方面表现出显著提升，静置24小时后（电流密度80 mA

江苏大学徐谦教授 2024年液流电池重点研究成果总结 （感谢徐谦教授团队校稿） 作者简介 徐谦，江苏大学教授、博士生导师。近年来主要从事直接醇类燃料电池、非水系液流电池及电化学能源转换与存储的多尺度数值仿真方面的研究，开发了非水系电解液高效添加剂，提升了电池的能量密度；提出了多层多维梯度电极，提高了电池的功率密度与能量效率；开发了AI辅助的多尺度数值仿真模型，并实现了跨尺度界面的信息高效传递，提高了数值仿真效率与精确度。在能源动力及化工领域权威期刊Progress in Energy and Combustion Science、Chemical Engineering Journal、AIChE Journal、Renewable and Sustainable Energy Review、Applied Energy、Journal of Power Sources、Nanoscale等共发表SCI 收录论文150多篇，其中第一/通讯作者近100篇，论文最高影响因子36，共被SCI引用7000余次，H-index=39。申请发明专利30项，获授权14项，其中澳大利亚专利1项。独立撰写并出版英文学术专著1部（德国Lambert 出版社），主编国家级规划教材1部（机械工业出版社），参编教材1部。2016年入选江苏省 “六大人才高峰”人才计划，2020年、2022年获省厅级科技进步奖（均排名第一）。2021年~2024年连续入选斯坦福大学“World’s Top 2% Scientists”。2023年入选“江苏省科技副总”。担任国际期刊PROCESSES，Carbon Footprints编委会委员，是两个能源类专刊的客座主编/召集人(International Journal of Green Energy, Frontiers in Energy Research)，是多个国际国内期刊审稿人。现为中国化工学会会员，中国工程热物理学会会员，中国内燃机学会储能专委会委员，江苏省新能源汽车及零部件工程研究中心学术委员会主任。主持及完成国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目及企业委托横向项目20项。本文总结了徐谦教授2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1.一种在平面内/穿过平面方向的梯度电纺电极结构用于非水系铁钒液流电池 为了提高非水氧化还原液流电池(RFB)的性能，必须协同提高流动/传质效率和多孔电极中过电位分布的均匀性。本研究开发了静电纺丝技术，提出了一种新型多孔电极，并将其应用于深度共晶溶剂(DES)电解液基铁钒RFB。一方面，新的面内梯度设计改变了膜附近电极活性物质的分布，从而降低了极化损耗。另一方面，从流场侧到膜侧的电极孔隙率的增加实现了电荷转移和电解液流动阻力之间的平衡。实验结果表明，与石墨毡电极相比，在电流密度为10mA cm-2时，三维梯度电极的能量效率提高了74.2%。此外，数值模拟揭示了三维梯度多孔电极的反应传递行为。结果表明，提出的三维梯度设计可以提高过电位分布的均匀性，实现极化电阻的降低，从而有效地改善了DES电解液基铁钒RFB的性能。 2.基于分形流场改善非水系氧化还原液流电池性能的数值模拟与实验研究 （点击论文名称查看全文赏析） 非水系氧化还原液流电池（RFB）的流场设计决定了多孔电极内电解质的流动和活性物质的传质，对RFB的运行有重要影响。在本工作中，提出了一种分形的树状流场设计用于深共熔溶剂（DES）电解液基铁钒RFB。分形树状流场能增强电解液对流，优化石墨毡电极内部活性物质的浓度分布，从而提高电池的整体性能。采用有限元模拟方法，建立了单电池的三维数值模型，对比研究了分形流场和蛇形流场条件下DES电解液基钒铁RFB的稳态放电过程。此外，通过组装该RFB的单电池，建立全电池测试系统，研究对比不同分形维数的分形流场与蛇形流场下RFB的输出电压和功率。数值计算结果表明，与传统的蛇形流场相比，分形流场可以提高RFB的放电功率，降低泵送损失。这主要是由于分形流场有利于减少极化损耗的同时加强多孔电极内部的对流。此外，数值研究结果还表明分形维数越大，泵送损失越小，输出电压越高。实验结果表明，与蛇形流场相比，分形流场可以提高RFB的输出电压和最大放电功率。本研究为DES电解液基钒铁RFB的流场设计提供了一种优化方法，并有望应用于其他非水系RFB。 3.氧化还原液流电池的运行参数监测/估计、电池管理与控制系统综述 （点击论文名称查看全文赏析） 氧化还原液流电池的电池管理系统实时监测电解液的流速、电池温度等参数，并在工况变化时进行参数调整，保证电池安全、稳定、高效、经济的运行。本文针对氧化还原液流电池的建模、参数估计、电池管理系统、能量分配等方面，从单电池、电堆、电池组三个不同的维度开展了综述和评价。在液流电池的大规模应用中，控制系统的存在不仅可以调节电池的输出功率，还可以保证电池的可靠性和安全性。可以说，液流电池的控制系统是电池安全、稳定、高效运行的基本保证，是液流电池的大脑。目前，有许多学者对液流电池电堆的控制系统进行了研究，但缺少针对单电池、电堆、电池组这种由小到大、由简单到复杂的思路进行的综述。本团队对不同规模电池的控制方法进行了充分调研，按照上述思路进行了综述。 4.以更少的能耗实现更高的性能：非水氧化还原液流电池的间歇超声波介导操作模式 作为氧化还原液流电池的可持续电解质，深共晶溶剂（DES）备受关注。尽管基于DES的电解质具有巨大优势，但其高粘度特性对其传质产生了负面影响，限制了电流密度和功率密度。超声波效应已被证明是改善传质特性的有效策略。在深共晶溶剂（DES）电解质中加入超声波可增强氧化还原活性离子的流动性，从而加速铁（III）/铁（II）氧化还原对的反应动力学。这种增强作用使其适用于基于非水电解质的氧化还原液流电池。然而，在实际应用中，有必要考虑超声波对电池内部结构的损耗，以及电池组件材料和超声波能量消耗的损耗。此外，持续延长超声波作用时间不仅难以显著改善电池性能，而且不利于节能和经济性。在这里，间歇式超声波被用来克服质量转移问题并降低运行成本。在保持良好的电化学性能提升的同时，能耗值降低了约50%。通过基本特性分析，设想了脉冲超声场在每个半电池上的机制和可视化。最后，对使用DES电解质的Fe/VRFB进行间断超声波活化的可行性进行了论证，证明其行为与连续超声波操作类似。因此，就能源成本而言，间断超声波场是一种更有效的运行模式，可避免过热或材料腐蚀等其他不良影响。  5.使用算法通道生成和自适应网络模型的新型氧化还原液流电池流场设计及实验验证 流场在氧化还原液流电池（RFB）中对提高功率密度起着至关重要的作用。传统的流场设计通常采用计算成本高昂的CFD模拟，以及基于设计者主观性的枚举法和试错法，这些方法已成为流场设计的瓶颈。本研究采用一种新的研究范式进行钒氧化还原液流电池（VRFB）流场设计，即建立自适应三维等效网络模型，并采用自主开发的流道生成算法，通过比较和筛选获得最佳流场。首先，利用自主研发的流道生成算法生成了由18135个流场组成的流道库。其次，通过自适应等效网络模型研究了各种流场下的电解质流动、物种传输和电荷传输，由于消除了网格划分，计算成本较低。第三，采用压降和电压效率来评估不同流场，以便通过比较和筛选获得高性能流场结构。所获得的高性能流场已经制作完成，并通过全面的实验验证证实了其高性能。在100 mA cm-2的条件下，高性能流场的能量效率比蛇形流场高出4%。该研究首次采用了自适应等效网络模型来生成和优化流道，为流道的选择和设计提供了参考。  6. 用镍掺杂二氧化钛光阳极提高电燃料太阳能液流电池系统性能的研究 能源系统的集成设计是国际能源低碳转型的一种实用而经济的解决方案。本作品设计并组装了一种带电燃料的太阳能液流电池。该系统直接将太阳能转化为电燃料，无需偏置电子元件，是一种可靠的可再生能源利用方式，具有成本低、重量轻、易于传输等特点。在该系统中，采用溶胶–凝胶法制备了不同含量和退火温度的掺镍二氧化钛光阳极。通过各种表征方法对光阳极的形貌、晶体结构和光电特性进行了研究。通过电流–时间曲线、线性扫描伏安法、Mott-Schottky图等测试评估了光阳极和电燃料太阳能液流电池系统的性能。结果表明，掺杂6%镍的光阳极在400°C下退火后可获得更高的光生自充电电流密度。仅依靠光阳极与电解质界面的自建电场，光电流就达到了2.5mA cm-2，这表明光阳极–电解质界面的电荷转移率得到了提高。在不增加电势的情况下，太阳能–化学能输出效率达到2.51%，高于目前的水性太阳能液流电池。此外，还进一步探索了光阳极–电解质界面，并量化了掺镍二氧化钛的能级。 7.

华南理工大学梁振兴教授 2024年液流电池重点研究成果总结 （感谢梁振兴教授团队校稿） 作者简介 梁振兴，华南理工大学化学与化工学院教授/副院长、国家杰出青年科学基金获得者、广东省燃料电池技术重点实验室/广东省电化学能源工程技术研究中心主任。研究领域包括:液流电池、燃料电池和锂/钠离子电池。课题组近年来围绕水系有机液流电池取得以下重要进展：开发了系列高性能的吡啶鎓盐与哌啶氮氧自由基储电分子体系，提升了电池的能量密度；发展了微纳尺度电化学方法，揭示了电解液中有机分子的聚集行为及结构动态演变机制，提升了电池稳定性；提出了梯度孔隙电极设计理念，提升了变物性水系有机液流电池的能量效率。近5年，以通讯（含共同通讯）作者在Angew、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.等期刊上发表论文70余篇。担任Chinese Journal of Catalysis副主编，中国化工学会储能工程专业委员会副主任委员，中关村储能产业技术联盟液流电池储能技术专业委员会副主任委员等。本文总结了梁振兴教授2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. TEMPO-紫精双极性有机分子构筑高稳定水系有机氧化还原液流电池  双极氧化还原活性有机分子（BROM）是解决电解质交叉污染的有效策略，可提高液流电池的稳定性。本文将2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧（TEMPO）单元和紫精单元进行共价桥联，开发了一种高水溶性双极性有机分子：1-(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-1′-(3-(trimethylammonio)propyl)-4,4′-bipyridinium trichloride ((TPABPy)Cl3)。该化合物水中溶解度可达1.76 M。电化学结果显示，(TPABPy)Cl3 在-0.56 V和0.76 V处显示出两对高度可逆的氧化还原峰，分别对应于紫精和TEMPO单元的一电子转移过程。密度泛函理论计算和电子顺磁共振波谱测试确定了氧化还原反应过程中(TPABPy)Cl3的分子/电子结构，发现两步电化学过程均涉及自由基反应。利用 1.0 M (TPABPy)Cl3电解液构筑的液流电池可提供 25 Ah L-1 的操作容量，且电池稳定性优于非双极性分子组装的电池。更重要的是，双极性分子的设计策略可通过电解液极性反转再平衡策略，有效实现容量的恢复。总之，本研究工作提供了一种双极性分子工程策略，从而提高水系有机液流电池的容量和稳定性。 2. 位阻效应构筑耐碱性紫精负极实现超稳定水系有机氧化还原液流电池（点击论文名称查看全文赏析） 紫精是一类很有前景的水系有机液流电池负极材料，但由于其在电池循环过程中会受到氢氧根离子（OH–）的SN2亲核攻击，分子稳定性面临着严峻的挑战。本研究工作发展了一种新型N-环季铵接枝的紫精分子，即：1,1′-bis(4,4′-dimethylpiperidiniumyl)-4,4′-bipyridinium tetrachloride ((DBPPy)Cl4)。所制备的(DBPPy)Cl4在水中具有1.84 M的溶解度和-0.52 V的热力学电位。实验和理论计算表明，接枝的N环季铵基团的位阻效应有效阻碍了分子遭受OH–的亲核攻击，从而提高了电活性分子在碱性环境下的稳定性。采用0.50 M (DBPPy)Cl4 电解液组装的对称电池在13天的循环测试中容量衰减可以忽略不计。以1.0 M (DBPPy)Cl4为负极，(TPABPy)Cl3为正极组装的液流电池具有22.43 Ah L−1的可逆容量，在60 mA cm-2电密200圈循环中显示出99.99%/圈的超高容量保持率。 3. 电解液热力学调控实现空气稳定紫精基水系有机氧化还原液流电池 水系有机氧化还原液流电池是一种前景广阔的电网储能技术。然而，由于无法在空气中稳定运行，其进一步应用面临严重挑战，根本原因在于有机电活性分子的空气耐受性差。本工作通过主客体超分子化学组装开发了一种电解液热力学调控策略，以提高紫精基液流电池的空气稳定性。研究发现，还原态紫精通过疏水作用可与羟乙基β环糊精（HE-β-CD）分子形成计量比1：2的主客体复合物，HE-β-CD的空间保护作用可在动力学上缓解还原态紫精分子遭受氧气的进攻。测试结果表明，以紫精/HE-β-CD为电解液组装的电池在空气条件下，可以实现高达99.9%的库仑效率和优越的循环能力（300次循环后容量保持率为97.73%）。本项研究工作为解决水系有机液流电池空气稳定性这一紧迫问题提供了简易的电解液调控策略。 4. 有机液流电池的聚集调控电化学（点击论文名称查看全文赏析） 有机分子是水系有机液流电池的储能单元，分子的溶液聚集行为被认为是影响其性质的关键因素，但却很少受到研究。本工作构筑了联吡啶鎓盐分子库，从分子水平研究了溶液中有机分子的聚集行为操控。结合理论计算和物化表征技术，主要发现如下：首先，在溶剂化效应、轨道重叠和色散作用的驱动下，单电子还原态联吡啶自由基在溶液中会发生聚集行为。其次，这一聚集可以通过分子工程策略来操控，通过引入分子间静电斥力，联吡啶环间的二面角可以显著抑制分子间的聚集行为。第三，自由基间的聚集会导致分子单电子占据轨道能级下降，且聚集行为与其热力学电位呈标度关系。因此，浓度的增加会导致电池电压降低，不利于高能量密度电池构筑。抗聚集分子设计可有效打破电位标度关系，为调控液流电池电解液提供了新的见解。 5. TEMPO微乳液构筑高容量水性有机氧化还原液流电池（点击论文名称查看全文赏析） 2,2,6,6-四甲基哌啶氧（TEMPO）的水溶性较低，严重限制了水系有机液流电池的容量。本文发展了一种微乳液增溶策略来解决这一问题。利用疏水性参数描述符通过筛选共溶剂和表面活性剂，在优选的乙腈/四丁基氯化铵组成的溶液中实现了高达3.45 M 的TEMPO溶解度。理化分析表明，表面活性剂四丁基氯化铵的烷基链倾向于分布在有机相中，降低了有机相与水相间的表面张力，促进了两相的融合与平衡，从而实现了具有优异稳定性、良好离子导电性和低粘度的TEMPO微乳液电解液。采用2.5

大连理工大学贺高红教授 2024年液流电池重点研究成果总结 （感谢贺高红教授团队校稿） 作者简介 贺高红，大连理工大学教授、博士生导师。长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，享受国务院政府津贴，国家有突出贡献专家，中国化工学会会士、常务理事，两次获得国家科技进步二等奖（2018年、2010年）及中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖（2017年、2009年），获得侯德榜化工科学技术奖，中国发明专利金奖，第十五届中国专利优秀奖，2017日内瓦国际发明展览会特别嘉许金奖等，辽宁省教学名师，辽宁省优秀专家。多年来主要从事膜分离过程、环保和过程工业节能改造等方面的研究，负责完成(在研)国家自然科学基金、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金石油化工重点项目、国家攻关项目、国家863计划项目、辽宁省博士启动基金和自然科学基金以及横向课题80余项。团队获批科技部重点领域创新团队、辽宁省高等学校创新团队、辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室和辽宁省工业挥发性有机污染物综合治理及利用工程技术研究中心。本文总结了贺高红教授2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. 离子导电膜中的自支撑 COF 纳米纤维提高钒氧化还原液流电池的效率（点击论文名称查看全文赏析） 钒氧化还原液流电池（VRFB）中多孔二维共价有机框架（COFs）的离子筛分效果受到离子导电膜中 COF 的脆性和易团聚的极大限制。在此，提出了自支撑 COF 纳米纤维作为连续离子导电途径的策略，以最大限度地提高 COF 的选择性离子传导。采用原位生长模板刻蚀法制备了独立的 TFP-TAPA 静电纺丝 COF 纳米纤维毡，用磺化聚苯并咪唑（SPBI）致密化并连续分散在膜中。原纤化使刚性 COF 材料具有出色的柔韧性，可以自由弯曲，通过氢键诱导磺酸基团定向聚集以实现质子跳跃，以及通过筛孔（6 Å）诱导长程有序钒离子排斥屏障和 COF 中亚胺基团的唐南效应。TFP-TAPA COF 纳米纤维连续膜显示出优于 Nafion212膜 3 倍的高H+/Vn+选择性，在 200 mA cm−2可实现约 80.5% 的出色 VRFB 能量效率，它超越了大多数最先进的基于 COF 的 VRFB 离子导电膜。   2.可转换为酚羟基侧链的醌构建钒氧化还原液流电池高选择性离子导电通道（点击论文名称查看全文赏析） 质子传导和钒渗透性之间的权衡是离子导电膜实现高钒氧化还原液流电池（VRFB）性能的巨大挑战。在此，本文提出了可转换为酚羟基侧链的醌以赋予唐南效应和持续变窄的离子导电通道以提高 H+/Vn + 选择性。独特的是，苯酚可以在强酸性 VRFB 环境中原位化学转化为电负性较低的醌，从而大大增加了 Zata 电位（从 2.6 到 10.2

中国科学科技大学杨正金教授 2024年液流电池重点研究成果总结 作者简介 杨正金，中国科学技术大学教授，研究领域为离子膜设计制备及应用与水系有机液流电池电活性分子的开发。杨正金课题组近年来取得了以下重要进展：开发了系列自具微孔离子膜，发现了离子传输的限域效应，突破离子膜传导性和选择性相互制约关系；创制了微孔框架离子膜，首次实现了近似无摩擦的离子传导和有机体系液流电池的快充；实现了固有微孔型离子膜的产业化及在水系有机液流电池中的示范应用。近5年，以第一/通讯（含共同通讯）作者在Nature、Angew、Energy Environ. Sci.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊上发表论文50余篇。获中国科大杰出研究校长奖、侯德榜化工科学技术青年奖等。目前担任 J. Energy Chem.、J. Membr. Sci. 等期刊青年编委，是中国化工学会青年工作委员会委员、液流电池储能技术专业委员会副秘书长。本文总结了杨正金教授2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. 用于pH中性的水性有机氧化还原液流电池的超微孔Tröger’s Base框架膜（点击论文名称查看全文赏析） 自具微孔聚合物膜（PIM）正在成为下一代离子交换膜（IEM）的有前途的候选材料。然而，在高离子交换容量（IEC）下，基于PIM的IEM会严重溶胀，从而导致选择性降低。为了解决这个问题，本文报道了用刚性Tröger’s Base网络链构建的超微孔聚合物框架膜。这些膜通过有机溶胶–凝胶工艺制备获得，具有出色的抗溶胀性能，在2.09 mmol g-1的高IEC下溶胀度低于4.5%，优于目前报道的PIM。刚性引起的超微孔和孔通道的带电修饰赋予这种膜非常高的尺寸排阻选择性和竞争性离子传导率。因此，这些膜使pH中性的水系有机氧化还原液流电池（AORFB）能够高效稳定地运行。这项工作介绍了Tröger’s Base聚合物骨架材料作为IEM的优势，并关注膜类型的扩展及其在其他领域的应用。 2. 用于长寿命碱性锌基液流电池的双功能电解质添加剂设计（点击论文名称查看全文赏析） 碱性锌基液流电池（AZFBs）具有锌资源丰富、安全性高、成本低等优点，是一种前景广阔的电化学储能技术。然而，锌枝晶的生长和死锌的形成极大地阻碍了 AZFB 的发展。为此，本文提出了一种双重功能的电解质添加剂策略，以调节锌成核并减轻锌沉积物的氢氧化物腐蚀，从而获得稳定的 AZFB。该策略将尿素添加到电解液中，使其与锌离子形成配位络合物，从而减缓锌沉积动力学，诱导均匀成核，同时尿素在锌沉积物表面的吸附作用可以保护锌免受氢氧根离子的侵蚀，限制死锌的形成。此外，计算结果显示，当尿素分子吸附在锌团簇上时，OH– 基团的后续吸附会产生 1.29 eV 的额外能量势垒，从而大大减少了死锌的形成。因此，碱性锌–铁液流电池原型的长时间电池循环显示，其稳定运行时间超过 130 小时，平均库仑效率达到 98.5%。预计这种电解质添加剂策略将为开发高度稳定的 AZFB 铺平道路。 3. pH中性水系有机氧化还原液流电池电解质和膜的进展与展望（点击论文名称查看全文赏析） 利用水溶性有机电解质的可逆电化学反应来储存电能的水系有机氧化还原液流电池（AORFBs）已成为一种高效的电化学储能技术，可用于可再生能源电力的大规模并网。pH 值中性的 AORFBs 具有高安全性、低腐蚀性和环境友好性等特点，特别具有发展前景，其电池性能受到氧化还原活性分子和离子交换膜（IEMs）的显著影响。本文概述并总结了用于 pH 值中性 AORFB 的代表性负极电解质和正极电解质，以及它们会导致电池容量不可逆衰减的副反应。此外，还讨论了用于 pH 中性 AORFB 的 IEMs 的最新成果，重点关注离子传输通道的构建和调控。最后，介绍了开发具有实际意义的 pH 中性

桂林电子科技大学黄泽波副教授 2024年液流电池重点研究成果总结 作者简介 黄泽波，桂林电子科技大学校聘副教授，研究方向为液流电池储能及新能源测控技术。目前在《Chemical Engineering Journal》、《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》、《Journal of Energy Storage》、《Electrochimica acta》、《Journal of energy chemistry》、《Journal of The Electrochemical Society》等国际知名期刊发表学术论40余篇，其中： SCI检索28篇(一作或通讯22篇)、EI检索4篇、核心期刊5篇，ESI高被引论文1篇，热点论文1篇，申请发明专利4项。主持广西自然科学基金面上、成都科技局重点研发支撑计划、重点实验室开放课题，参与国家自然基金等项目7项。目前担任《装备制造技术》青年编委，《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Energy Storage》、《International Journal of Energy Research》、《AIChE Journal》、《Ionics》、MDPI、《储能科学与技术》、《电源学报》等10余个期刊审稿人。本文总结了黄泽波副教授2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. 液流电池：基于仿生机制并增设阻块的流场设计（点击论文名称查看全文赏析） 钒液流电池是实现大规模和长期储能的重要技术，其中流场设计是影响电池整体性能的关键因素之一。本研究借鉴了仿生叶脉的结构，提出了三种在主流道中加入不同形状阻块的流场设计。该设计旨在增强电解液向分支的分流能力，从而实现更均匀的电解液分布。其中，采用圆形阻块的结构表现出优异的性能，具有最低的充电电压和最高的放电电压。此外，该结构还实现了最高的活性物质浓度均匀度(0.903)。在流速为3 ml/s和电流密度为40 mA/cm²的条件下，基于泵功率的效率最大提高了1.7%，基于输出功率的效率则最大提高了2.5%。这一研究为仿生流场设计提供了新的思路，并展示了其在实际工程应用中的巨大潜力。 2. 析氢反应对钒液流电池性能影响的评价（点击论文名称查看全文赏析） 钒液流电池(VRFB)由于其卓越的优势，受到了广泛关注，已成为大规模和长期储能解决方案的首选。然而，氢气析出反应(HER)等副反应导致了 VRFB 性能的不足，从而使整个系统的性能下降。因此，研究 HER 对 VRFB 性能的影响机制，并找出有效的减轻措施势在必行。为此，我们选择了充放电曲线、内阻、压降、泵功耗、效率和容量保持率等关键参数，以评估 HER 对 VRFB 性能的影响。实验结果表明，HER 会导致充电阶段电压的增加以及放电阶段电压的降低，从而引起电压损失。此外，气泡的生成显著增加了压降和泵功耗；气泡还可能导致流道和电极的堵塞，从而使欧姆阻抗增加。最终，HER 对效率和容量产生了显著影响，平均能量效率仅为 2.92%。在经历 60 个循环后，容量保持率则下降了近