May 15, 2026

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 […]

第一作者：杜炳垚 通讯作者：何章兴 通讯单位：华北理工大学 DOI：10.1016/j.rser.2026.117015 感谢华北理工大学何章兴团队（第一作者：杜炳垚）校稿！ 成果简介   本文系统综述了VRFB流场优化领域的研究进展。基于功能导向原则，流场配置体系可分为均匀分布主导型、传质主导型和多功能型三种类型。文章深入分析了流场与电极的耦合设计机制，并建立了电极压缩比、孔隙率与流道几何参数之间的定量关系。同时全面评述了流场领域的先进研究方法，包括可视化实验技术、多物理场耦合模拟及机器学习辅助拓扑优化技术。文中还介绍了工程实践考量要点与前沿设计理念。基于当前技术瓶颈，本文展望了未来发展方向，从静态配置向智能响应转型，从单点优化迈向全工况优化。本文总结的成果为开发长寿命、低成本的VRFB流场创新设计提供了系统的理论依据与方法支持。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   背景分析   尽管VRFB具有诸多优势，但EE和功率密度仍需进一步提升，以满足更广泛的经济需求。流场是引导电解液均匀分布于电极表面的关键结构，对电池性能具有重要影响，主要功能包括引导电解液分布、确保电解液在整个电极反应区域内的均匀且充分流动，从而避免形成死区或短路流动现象。因此，流场的设计旨在促进活性物质的传输，优化电解液在电极孔隙内的对流与扩散过程，并确保反应物有效传递至电极反应界面，同时快速清除反应产物。优化流场结构是提升VRFB整体性能的关键方法。优化的核心目标是在传质、反应分布和系统压降之间取得平衡，从而在保持较低泵送损耗的同时实现更高的能量效率和功率密度。   图文解析 1.流场在VRFB中的关键作用   根据VRFB的工作原理，当电解液通过蠕动泵输送到电池内部时，必须依次流经流场板内的预设流道才能到达电极区域。由此可见，流场板内部流道结构的设计是否科学合理，将直接决定电解液在电极表面的均匀分布情况。 图1典型流场图   在流体力学领域，经典的矩形流场结构主要包括平行流场（PFF）、蛇形流场（SFF）和叉指流场（IFF），示意图见图1a–c。研究人员基于叶片形状开发了叶脉仿生流场（BFF）（图1d）。Su等人研究了放大旋转SFF的不同方法，包括多平行通道、通道长度扩展、通道多平行长度扩展、分割子区域和分割区域多平行通道（图1e–i）。其他基于形状优化的流场设计包括龟形、树形、渔网形、波浪形、肺形流场和螺旋形流场。 图2流场在VRFB中的作用   电解液在电极内的分布与传输特性主要取决于流场拓扑结构及流体动力学设计。流场结构设计是制约电池综合性能的关键因素，体现在EE、功率输出、系统运行成本等核心指标上。为直观阐释这一机制，图2展示了VRFB流场结构的功能示意图。在流体速度增大的条件下，研究建立了局部传质系数与流速变量之间的数学关系。该设计有效降低了能量损耗，从而为驱动泵组提供更充足的功率保障，并显著提升了系统的运行效率与经济性。 1.1电解液分布均匀性的改善   不良的流场设计可能导致电解液无法按预期流动，从而造成大量电解液直接从入口流向出口，或仅快速流经少数宽通道而未能完全渗透至电极内部，称为短路流。在某些电极区域（尤其是通道下方或边缘处），电解液流速会变得极低甚至停滞，被称为“死区”。当反应不均匀时，死区内的活性物质无法参与反应，导致电容损失和有效电极面积减小。相反，在高速区域，由于反应物的快速补充和热量积聚，可能引发局部过热或副反应加速，从而加速材料劣化。最终，将导致电池整体性能下降和使用寿命缩短。   通过引入挡板、设计变截面通道、使用交叉或仿生分形结构等优秀的流场设计，电解液可以通过调整通道的布局、形状和流动阻力来克服流动惯性，迫使电解液在整个电极平面上更均匀地分布，消除死区，最大限度地抑制短路流，从而实现电极面积的有效利用。 1.2提高活性物质传输效率   传输速率是决定电极反应速率的关键因素之一。传输主要通过两种方式实现：流动与扩散。由泵送电解液流动驱动的对流是电极附近反应物传输的宏观机制；而由浓度梯度驱动的扩散则将反应物从高浓度电解液区域输送到低浓度的电极反应表面，是反应物迁移的微观关键机制。在传统PFF中，传质主要依赖扩散过程相对缓慢，可能导致高电流密度下电极表面反应物耗尽，从而引发浓差极化现象，进而限制电流密度上限。新型复杂流场原理（如新型螺旋流场或三维多孔流场（TPFF））属于强制对流范畴。通过交替布置进出口，或采用多孔介质结构，使电解液垂直流经电极而非仅平行于电极表面，增强了反应物向电极内的对流传输效率，大幅缩短了扩散距离并降低了浓差极化现象，同时大幅提升了电池的质量传递效率与输出功率。 1.3.VRFB压降与泵功率损耗之间的平衡   泵功率损耗是指泵为克服电解液流经管道和电极（尤其是流场和电极区域）时的流动阻力所消耗的能量（以压降ΔP表示）。流场设计存在一个基本权衡关系：增强传质过程通常会提高VRFB的ΔP；而采用更狭窄、更密集且更复杂的流道（如IFF或压缩电极）虽能提升传质效率，但会增加流动阻力，并提高进出口处的ΔP值。高ΔP意味着驱动泵需要消耗更多能量，直接抵消了电池的输出能量，降低了系统的净效率。因此，流场设计需在增强传质效率与控制ΔP之间取得最佳平衡。优化后的流场应能在最小ΔP条件下实现最高效、最均匀的传质效果。因此，要求对通道几何参数（包括宽度、深度、长度、布局、电极孔隙率及压缩比）进行合理设计与匹配，从而在特定运行条件下最大化系统的净效率。死区的形成与短路流现象本质上源于流场内压力分布不均。根据流体力学原理，在平行流场的入口集管处，流体动量最大、动压最高、静压最低；而在出口集管附近，流速降低而静压升高。这种沿集管的静压分布差异导致各平行流道进出口处产生不同的ΔP。靠近入口的流道具有更大的ΔP和更高的流速，易形成短路流；而远离入口的流道则具有较小的ΔP和较低的流速，甚至可能形成死区。从电化学角度来看，死区内的活性物质无法参与反应，导致电容损失和有效电极面积减小；而在短路流区域，由于反应物的快速补充和热量积聚，可能引发局部过热或加速副反应。近期研究提出了“真空区域补偿设计”方案，该方案通过迭代优化相邻流道间的压差，可显著提升活性物质的平均浓度及分布均匀性系数，为消除死区和抑制短路流提供了有效的工程解决方案。   在VRFB的设计中，电解液的均匀分布、活性物质的传输效率以及包括ΔP和泵功耗在内的能量损耗动态平衡，是三个相互关联且彼此制约的关键核心性能指标。任何流体研究项目都必须全面系统地考量上述三个维度的作用，其重要性不容忽视。   2.多物理场耦合   鉴于现有建模方法的局限性，采用集成等效电路、电化学及流体动力学模块的多物理场混合模型更为合适。VRFB的内部结构是一个典型的多物理场耦合系统，流场特性源于电化学场、流场与浓度场之间的相互作用与约束关系。与单纯分析孤立场不同，电解液在通道和电极孔隙中的流动由流体动力学场描述，该场受纳维-斯托克斯方程和达西定律支配。此区域负责调控电解液的宏观分布及微观渗透过程，成为物质传递过程的主要驱动力。此外，浓度场直接决定了电化学反应的驱动力及极化程度；流场通过影响对流与扩散作用来形成浓度场；电化学场描述了电极-电解液界面处的电荷转移反应，该反应遵循Butler-Volmer方程。   流动与传质耦合：流场直接影响对流传输强度，进而影响反应物到达电极表面的速率，最终决定浓度场的分布。   传质与电化学耦合：电极表面反应物的浓度直接影响电化学反应的动力学和热力学特性，即决定了局部电流密度。   电化学-流动耦合相对较弱，但电极表面产生的气体可能改变局部流动状态。更重要的是，电化学场的输出是评估流场设计质量的最终标准。间接全局耦合涉及通过设定相应的泵流量来满足特定电流密度下的传质需求，直接决定了流场内的ΔP及泵功耗。系统的净效率等于电化学性能与流场泵功耗之差，完美反映了多个物理场的全局耦合效应。   建立多物理场耦合模型旨在研究电池的结构设计，从而提供科学可靠的理论指导。同时，也为探索电池内部的微观传输机制和制定电池系统的稳定循环策略提供了理论依据。因此，流场设计应采用多物理场耦合模拟方法，在求解流体动力学、质量传输和电化学反应方程的同时实现模拟。   3.流场设计 3.1.以均匀分布为主的流场   均匀分布主导流场的核心设计原则是通过优化压力分布来实现电解液的空间均匀分布。其工作原理基于流体力学中的伯努利原理及摩擦补偿机制：在平行流场中，入口歧管内的导流板或节流元件可调节压力分布；而在梯度变截面流场（GVCFF）中，沿流路逐渐收窄的流道可补偿摩擦损失，从而保持流路内静压恒定。此类流场适用于低电流密度及压降敏感的应用场景，例如追求高系统效率的大规模储能系统。关键设计参数包括歧管与流道的面积比以及梯度系数等。 3.1.1平行流场   PFF结构是最传统且最直接的设计方案。图3a展示了一种具有大量平行直通道的PFF，起始端和末端分别设有进口歧管和出口歧管，主要问题在于进口歧管与出口歧管内的压力分布不均匀。根据流体力学原理，在进口歧管处流体动量最大时，动压最高而静压最低；而在歧管出口附近，随着流速降低，静压反而升高。沿歧管分布的静压差异会导致各平行通道的进、出口处产生不同的ΔP1：靠近进气口的通道ΔP1值更大、流速更高，而远离进气口的通道ΔP1较小、流速较低，将导致流动分布严重失衡。最有效的解决方案是在进口歧管和出口歧管中安装导流板或流动阻力器，通过改变歧管的流通截面积来调节压力分布。例如，将导流板置于靠近入口的高动压区域会增加该处的流动阻力，从而导致静压升高；相反，在集管末端的低动压区域降低阻力则会使静压相对下降。通过精确设计导流板的形状、尺寸和布局，可使主管道内的静压保持均匀，确保了各平行通道入口与出口处的压力差一致，从而实现流体的均匀分布。该方法不仅保留了PFF结构的低流动阻力和低泵功优势，还提升了电解液分布的均匀性，确实是一种经济高效且优化效果显著的方案。 3.1.2.梯度变截面流道   图3b展示了PFFs中的阶梯状障碍物及通道设计中的棱柱形障碍物，每个通道分别包含1、2和3个障碍物。图3c展示了四种梯度SFFs中从入口到出口边缘通道深度呈线性递减的流场结构。该设计并未遵循传统均匀横截面通道的惯例，而是沿流动方向在宽度或深度上进行系统性变化，从而形成梯度可变横截面通道。这些通道中的流体流动会产生摩擦损失，因此下游静压低于上游。在横截面均匀的通道中，下游驱动压力会降低，进而导致流速和流量下降。通过将通道横截面沿水流方向逐渐变窄的设计，下游流速得以提升，但通道的摩擦阻力也会相应增加。经过精确计算与设计，通道阻力的增加能够准确补偿摩擦压头损失，从而使整个通道长度内的流速和流量保持相对均匀。可变横截面设计改变了通道内的局部流速场和压力场，增强了横向流动效果，使得电解液更容易从通道渗透至下电极的孔隙中，从而提高了电极厚度方向上的浓度均匀性。图3d展示了两种梯度SFF条件下V(II)的速度分布与浓度分布，表明沿流道设计的梯度显著提升了出口附近电解液的流速。因此，在不同电流密度下，梯度流场的引入可使电极内反应物分布更加均匀。基于能斯特-普朗克方程的理论框架，目标物质V(II)的传输通量特征主要受对流项主导。当出口区域流体速度逐渐增加时，速度提升效应有效补偿了该区域V(II)浓度相对较低的状况，从而确保整体物质传输的连续性和高效性。在GSFF（5%）电极的出口区域，其内部流体速度分布呈现明显的停滞现象，是由于显著的流动阻力导致分布不均所致。该设计主要取决于运行条件和几何参数，因此需要复杂的计算流体力学分析及多物理场优化方法才能确定最优梯度曲线。图3e和f展示了不同通道分数、ΔP及均匀性系数下的通道结构，以及钒离子浓度等高线图。结果表明，在不同通道分数下，活性物质的ΔP值与分布均匀性之间存在权衡关系，意味着每个流场中都存在最优通道分数。因此，需在可接受的ΔP损失范围内选择合适的通道分数，以确保VRFB系统的卓越性能。 3.2.质量传递主导的流场   以传质为主导的流场核心设计原理，旨在通过强制对流突破扩散限制。工作机制是利用流道间的压差驱动电解液垂直穿透多孔电极，将扩散距离从微米级缩短至纳米级。指状流场通过交替布置进水与出水流道实现强制对流；TPFF则利用连续的孔隙结构产生强涡旋并实现充分混合。此类流场特别适用于高电流密度和高功率密度的应用场景，例如需要快速响应的频率调制辅助服务。关键设计参数包括流道宽度比和电极渗透性匹配度，需在增强传质效率与降低压降之间取得平衡。 图3具有梯度变截面流道的流场 3.2.1叉指流场   IFF由两组相互独立的进水通道和出水通道交替排列构成，所有通道端部均采用密封设计。图3g展示了通过软件构建的IFF结构：独特的密封设计迫使所有电解液首先流经进口通道，随后垂直穿透下方的多孔电极，最终通过相邻的出口通道排出。图3h展示了通道内的压力分布，在电极内部产生了强烈的强制对流，其方向垂直于电极表面。该对流传输方式缩短了反应物从流道扩散至电极内部反应位点的距离。图3i呈现了IFF中进水通道固定销的位置及通道中点处的流场分布，有效更新了电极-电解液界面处的反应物浓度，抑制了浓差极化现象，并使极限电流密度提升了数个数量级。IFF的主要缺点是具有极高的ΔP，流体穿透电极多孔介质的阻力远大于在开放流道中的流动阻力。平衡策略的核心目标是在不显著牺牲传质性能的前提下降低ΔP。总体而言，通过优化流道结构并增加流道宽度，可以缩短横向穿透电极的路径长度并降低其阻力，但电极的有效反应面积也会相应减小。因此，必须确定最佳比例以优化电极性能。 3.2.2三维多孔流场