May 31, 2026

第一作者：杜俊彦 通讯作者：王丽君 通讯单位：北京科技大学 成果简介   钒液流电池（VRFB）被视为大规模储能的核心技术，其中电解液的浓度与稳定性直接影响系统能量密度与运行成本。然而，传统电解液体系普遍存在浓度低、稳定性差以及制备过程复杂等问题。在此，北京科技大学王丽君团队以 VOCl3作为钒源与内生氯供体，并与硫酸组合构建VOCl3-H2SO4电解液体系（2.7 M V，8.1 M Cl–)，3.0 M SO42-），该策略可使 VOCl3同步释放钒离子与氯离子，提高钒离子的溶解速率并优化溶剂化结构的稳定性，同时无需外加盐酸。Cl–与 SO42-的协同配位有效抑制沉淀生成。实验结果表明，该电解液在 −5 至 50 °C 的宽温度范围内保持稳定且无沉淀。基于该电解液装配的 VRFB 在 50 °C、80 mA cm-2条件下实现了超过 80% 的能量效率，库仑效率稳定在 96% 以上。   相关成果以“Chloride self-supply electrolyte: Mitigating concentration-stability conflict in vanadium batteries”为题发表在Journal of Energy Storage期刊上。 感谢北科大王丽君团队（第一作者：杜俊彦）供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统（YTH-1/LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景   VRFB 以溶液形式存储能量，电解液的体积与浓度直接决定电池的储能容量与能量密度。然而，现有电解液中的钒浓度相对较低且热稳定性不足，导致电池性能与成本受限。提升钒电解液性能主要可从钒原料与支持电解质两方面入手。当前，钒电解液主要由 V2O5与VOSO4制备，但V2O5的溶解速率较慢，需在 80~90 ℃条件下加热方能实现高效溶解，这降低了制备效率并增加成本。此外，传统以硫酸为支持电解质的体系也限制了 VRFB 的工作范围。例如，在硫酸体系中，V5+在高于 45 ℃时易以V2O5形式析出，而V3+与V4+在较低温度（<10 ℃）下也易发生沉淀。因此，硫酸体系中钒离子浓度通常受限于2.0 M以下，电池可稳定运行的温度范围也仅限于10~35 ℃。   为解决上述问题，Li等人提出了具有更高钒离子溶解度与更宽工作温度范围的混酸支持电解质。目前已报道的混酸体系包括H2SO4-HCl、H2SO4-H3PO4与H2SO4-CH3SO3H等，其中 H2SO4-HCl混酸体系最为成熟。该体系能够溶解更高浓度的钒离子（>2.0 M），并提供更宽的工作温度范围。在传统硫酸支持电解质中，V5+主要以[VO2(H2O)3]+形式存在，易在升温下转化为VO(OH)3，最终形成 V2O5·3H2O沉淀；而在H2SO4-HCl体系中，钒离子与氯离子络合形成稳定的 VO2Cl(H2O)2物种，有效抑制V2O5沉淀的生成，显著提升高浓度V5+电解液的稳定性，使能量密度由25 Wh L-1提升至40 Wh L-1。Bon 等人进一步通过分子模拟发现，在H2SO4-HCl混酸电解质中，V5+以[VO(OH)2+Cl–SO42-2(H2O)]–络合物存在，同样能够抑制沉淀形成。Yang 等人将V2O5溶解于H2SO4-HCl体系中，当电解液组成为2.4 M钒、6.2 M氯离子与2.5 M硫酸根时，所组装的VRFB可在 −20 ~ 50 ℃范围内稳定运行。综上，H2SO4–HCl混酸体系的应用不仅提高了钒电解液的浓度与能量密度，还降低了与电解液温控相关的系统成本。然而，在以H2SO4–HCl为支持电解质的钒电解液体系中，常用钒源V2O5仍存在溶解度低、溶解速率慢的问题，限制了钒电解液浓度的进一步提升与成本的进一步下降。   核心内容 […]

第一作者：雷佳锋&张亚勤 通讯作者：卢怡君&范俊 通讯单位：香港中文大学&香港城市大学 DOI：10.1038/s41467-026-73670-4 工作简介   本文提出“接力催化”通用策略，可在降低过电位的同时实现高反应速率，从而兼顾高容量与高能效。该策略借鉴细胞呼吸中的顺序电子传递机制：首先使用低过电位催化剂（如异咯嗪）引发反应，随后无缝切换至高活性催化剂（如醌）以维持电荷传递，从而打破过电位与催化速率之间的权衡关系。通过此策略，多硫化物-亚铁氰化物型液流电池中的多硫化物利用率接近满值，并在3个月内保持优异稳定性（在20mA cm-2下完成>500次循环，衰减速率分别为每循环0.00071%、每日0.003%）。进一步，作者团队将该策略拓展至有机硫化物及偶氮基液流电池，并采用多种接力催化剂组合方案。通过模拟生物电子传递机制，该方法不仅重新定义了储能领域的均相催化理论，更为设计性能更优、可扩展性更强的液流电池建立了革命性平台。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   研究背景   开发高效的催化工艺和低成本催化剂对于充分利用RFB中广泛存在的低成本活性材料至关重要。以多硫化物基液流电池为例，固态催化剂已被应用于改善反应动力学，包括多种金属硫化物以及掺杂碳（如氮掺杂碳）催化剂。然而，由于反应位点有限、催化剂易脱层、副反应发生以及催化活性较低等问题，实际效果仍不尽如人意。均相催化技术是解决液流电池相关问题的有前景方案。探索具有更高电子转移速率的分子催化剂是提升电池容量利用率的有效途径。然而，人们普遍观察到，在锂空气电池、氧化还原介导电池和均相催化应用中，具有高电子转移速率的分子通常会带来更大的过电势，与反应物产生较大的电势差，作为催化反应的驱动力，突显了电子转移速率和过电势之间的权衡以及运行条件下实际工程领域的挑战。   核心内容 1.具有高电子转移速率的多硫化物RFB分子催化剂 图1基于生物启发的多硫化物反应的接力催化设计原理   首先通过紫外-可见光谱法表征了自发化学反应。紫外-可见光谱显示当将还原态2,6-DHAQ分子催化剂与K₂S₄电解质混合后，2,6-DHAQ₄⁻在520nm处的吸光度显著降低，401nm处的吸收峰红移至412nm，溶液颜色迅速由红色变为橙色，证实2,6-DHAQ能够化学还原多硫化物物种。类似地，还原态分子与K₂S₄之间的自发化学反应在1,4-DHAQ和1,8-DHAQ中也得到进一步验证，表明该分子催化剂策略具有普适性。   此外，在500mM K₂S₄溶液中，2,6-DHAQ、1,8-DHAQ和1,4-DHAQ的反应速率kobs值分别为21.4 s⁻¹、5.1 s⁻¹和4.8 s⁻¹，表明2,6-DHAQ在与多硫化物混合后最快达到稳态，其次是1,8-DHAQ和1,4-DHAQ，从而证实2,6-DHAQ的催化速率高于另外两种DHAQ候选物。在1M K₂S₄电解液中，2,6-DHAQ的kobs测定值为75 s⁻¹，比FMN-Na（33 s⁻¹）高出约120%，证实了2,6-DHAQ是一种理想的分子催化剂，具有较高的中接力催化速率。   随后，采用紫外-可见光谱法研究2,6-DHAQ在充放电循环过程中的催化行为。结果显示多硫化物还原过程中存在两种不同的催化过程：在初始阶段，由于还原态DHAQ3⁻能快速转化为DHAQ2⁻且反应速率较快，其吸光度几乎无变化；而随着充电时间延长，DHAQ3⁻逐渐累积；当电池SOC升高时，DHAQ3⁻的吸光度开始下降，而DHAQ4⁻的吸光度则持续上升。放电过程中，2,6-DHAQ的吸光度会恢复至初始状态并在后续放电过程中保持稳定。因此，两个催化剂分子可与一条多硫化物链结合以断裂二硫键。 图2关于2,6-DHAQ与K₂S₄反应机理的理论计算   DFT计算显示2,6-DHAQ4‒分子中HOMO分布于芳香环及活性氧原子周围；其与π-特征的协同效应可通过局域轨道定位-π图呈现。研究表明π-电子可促进芳香环间的短程π-π堆积作用，从而形成电子迁移通道。   同时，计算得到的2,6-DHAQ4‒与K2S4之间可能存在的组合方式可能的构型分为四种类型：V1型（θ<90°）、V2型（θ>90°），π型（θ<5°，DHAQ面之间的π-π堆叠）和C型（L>10Å，链状连接）。2,6-DHAQ中的氧原子在所有构象中均起关键作用，表明其为优选结合位点。V1型、V2型和π型结合方式产生的能垒分别为13.80、14.12和12.12 kcal/mol，均低于单个2,6-DHAQ4⁻催化的反应能垒（14.74 kcal/mol）。此外，两个2,6-DHAQ4⁻分子之间的距离越近，能垒越低，证实了π-π堆积效应（π型为12.12kcal/mol）在降低反应能垒和稳定中间体方面的重要性。此外，实空间函数“interaction region indicator59”可视化展示了S-S键断裂过程及范德华相互作用，表明π-π通道显著提升了二硫键断裂的整体动力学效率。因此，不仅分子催化剂与多硫化物之间的相互作用至关重要，分子催化剂之间自身的相互作用同样对多硫化物催化过程具有重要作用。   2.具有高容量和低过电位特性的S-Fe液流电池中的接力催化作用 图3.含或不含接力催化剂的多硫化亚铁氰化物液流电池的电化学性能及原位紫外–可见光谱表征   30mA cm⁻²的电压曲线证实：相较于单独使用FMN-Na或2,6-DHAQ催化剂，采用接力分子催化剂（FMN-Na+2,6DHAQ）的S-Fe RFB在不牺牲EE的前提下显著提升了可实现容量。同时，未添加分子催化剂时，S-Fe RFB呈现较高过电位。单独使用FMN-Na时，S-Fe RFB的过电位显著降低，但在30mA cm⁻²下仅能达到30 Ah L⁻¹体积容量。然而，当在引入2,6-DHAQ后，容量几乎达到理论值50 Ah L⁻¹；而2,6-DHAQ本身的容量仅为2.3Ah L⁻¹。与单独使用FMN-Na相比，FMN-Na+2,6-DHAQ接力催化体系在30mA cm⁻²下的容量利用率提升了67%，且EE相当。   紫外-可见光谱法显示含有双分子催化剂的混合电解液在吸光度变化上呈现明显趋势：FMN-Na的吸光度在相同波长范围内下降，而2,6-DHAQ的吸光度则上升，并在放电阶段观察到相反的变化趋势。对于采用接力催化剂的S-Fe RFB而言，FMN³⁻的紫外-可见吸光度在初始充电阶段大部分时间保持稳定；但当多硫化物浓度降至临界值以下时，吸光度迅速下降，此时FMN的反应速率已无法跟上电子输入速率。相比之下，具有更高电子转移速率的2,6-DHAQ开始主导催化过程。放电过程中，2,6-DHAQ和FMN-Na首先被氧化，吸光度迅速恢复至初始值。总之，在充电过程初期时，FMN-Na首先被激活并向多硫化物传递电子；随着反应进行且多硫化物浓度降低，FMN-Na的活性不足以满足电流需求，此时2,6-DHAQ被活化以催化多硫化物还原反应。与单独使用2,6-DHAQ相比，协同接力机制通过先在较低过电位下利用FMN-Na，再切换至2,6-DHAQ，有效避免了充电过程的提前终止，并最大限度减少了能量损耗。