May 2026

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 […]

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

第一作者：李嘉怡 通讯作者：巫茂春 通讯单位：香港理工大学 DOI：10.1016/j.est.2026.122402 感谢香港理工大学巫茂春团队（第一作者：李嘉怡）校稿！ 成果简介   本研究系统性地探究了锌溴液流电池（ZBFB）在宽温度范围内的温度依赖性行为。结果表明：在80 mA cm-2下，工作温度由30 ℃ 提高至70 ℃ 时，电压效率（VE）由 76.6% 提升至 83.7%，但库仑效率（CE）由 99.3% 降至 95.3%。此外，ZBFB 在 50 ℃ 下展现出最佳的循环稳定性，可实现超过1000次循环。归因于快速的多溴化物/溴化物反应动力学及均匀的锌沉积。原位光学监测与表征表明：当温度低于50 ℃时，多溴化物油相混合不充分及膜侧局部锌积聚会导致循环寿命缩短；而温度高于50 ℃时，溴络合减弱、锌沉积粗糙并伴随副反应增强，从而加速自放电和容量衰减。本研究从机制层面揭示了温度如何同时影响反应动力学、油水两相流动行为、锌沉积及副反应过程，进而影响电池整体性能。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   背景分析   温度对液流电池性能的影响早已受到关注，但在ZBFB中，正极伴随多溴化物油相的生成与溶解，负极则发生锌的沉积与剥离，两者都对温度变化高度敏感。一方面，温度会改变 Br2/Br⁻ 反应动力学，以及多溴化物油相液滴的粘度、界面张力和和密度，影响其形成、迁移及溶解过程，进而影响正极油水两相流动和自放电；另一方面，温度会调控锌的成核与生长，从而影响锌沉积的形貌与分布。已有研究表明，较低温度通常有利于形成更致密的锌沉积，而过高温度则会加剧枝晶生长和锌腐蚀，缩短锌基液流电池的循环寿命。然而，工作温度究竟如何影响ZBFB的基础电化学过程及整体性能，仍缺乏系统认识。 图文解析 1.电池性能的温度依赖性 图1.ZBFB的变温倍率性能   在30-70 °C范围内，随着温度升高，电池在各测试电流密度下的VE均有所提升，其中70 ℃ 时VE最高，说明升温显著增强了电池反应动力学并降低了极化。同时，CE却由99.3%降至95.3%，表明高温在提升反应速率的同时，也增强了溴跨膜迁移和副反应。 图2.不同温度下的面容量及循环性能   不同温度下的充放电曲线表明，随温度升高，充放电平台间的电压差逐渐缩小。在较低面容量下，充电平台较为平稳；但当面容量增至40 mAh cm-2时，充电末端电压快速升高，表明浓差极化明显增强。当进一步尝试在50 mAh cm-2下运行时，电压达到截止值2.5 V，充电被迫终止。这是因为充电过程中锌优先沉积在靠近隔膜的一侧，随着沉积持续进行，孔隙逐渐被填充，传质阻力增大并最终阻塞传输路径。该现象在所有测试温度下均存在，说明升温并不能提高ZBFB的最大可运行面容量。 循环测试表明，循环寿命大小规律为：50 ℃ > 60 ℃ > 70 ℃ > 40 ℃ > 30 ℃。在30 ℃和40 ℃下，CE波动更明显，这是因为充电过程中生成的溴与溴络合剂（BCA）形成较致密的多溴化物油相，由于油相与水溶液混合不充分，使得部分多溴化物在放电时不能及时、充分地还原回溴离子，造成CE偏低；残余多溴化物又可能在后续循环中参与反应，从而导致CE波动。持续的CE波动会进一步加剧锌沉积/剥离的不均匀性，并缩短循环寿命。升高温度能够缓解这种波动，原因在于络合作用减弱后，多溴化物与水相的混合得到改善。因此，在中等温度区间内，循环稳定性随温度升高而增强，且在50 ℃时达到最佳，可实现1000次以上循环。若温度继续升高至60-70 ℃，则由于析氢反应（HER）等副反应增强、锌沉积形貌改变以及自放电加剧，循环寿命反而缩短。此外，尽管在循环过程的初始阶段，较高温度会导致更高的VE，但其衰减速率在较高温度下会加快。

第一作者：耿立珊 通讯作者：麦立强&孟甲申 通讯单位：武汉理工大学 DOI：10.1021/acsenergylett.6c00406 感谢武汉理工大学麦立强团队（第一作者：耿立珊）校稿！ 成果简介   本综述全面总结了锌卤素液流电池（ZHFBs）电解液化学领域的最新进展，重点涵盖五个关键方面：电解液组成、溶剂化结构、锌沉积电化学、卤素反应行为及pH效应。文章系统分析了影响活性离子（Zn²⁺和卤化物）反应动力学的优化机制、调控锌沉积的电位与界面反应，以及卤素物种的氧化还原路径。此外，本文还探讨了当前面临的挑战，并提出了ZHFBs电解液开发的未来研究方向。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   背景分析   ZHFBs的实际应用受到诸多关键挑战的严重阻碍，例如锌枝晶的形成和多卤化物穿梭现象，两者均与电解液化学特性密切相关。过去几十年间，大量研究致力于解决这些问题，凸显出亟需对有效的优化策略进行全面而深入的理解。然而，现有的关于锌基电池的综述通常提供广泛的概述，涵盖电极材料的改进、电解液和隔膜的优化，或多种电池系统，包括Zn−Br电池、Zn−I电池、Zn−空气电池以及锌离子电池。仍然明显缺乏的是对ZHFB特有的电解液化学进行系统和专门的分析，特别是在阐明电解液成分、溶剂化结构、界面电化学行为之间的复杂相互作用及其对电池性能的集体影响方面。 图文解析 1.锌卤素液流电池中的电解液问题   ZHFBs的实际应用受到循环寿命有限、CE低以及稳定性差等问题的制约，根本原因在于传统水基电解液的固有特性，而非单纯的工程难题。电解液的化学性质（包括其组成、溶剂化结构以及热力学和动力学特性）决定了电化学性能，也是这些失效模式的主要根源。 图1.ZHFBs在传统电解液中的应用挑战 1.1锌电镀/剥离故障的电解液原因分析   Zn²⁺/Zn的还原电位（−0.76V vs SHE）接近水和质子的还原电位，使得HER成为不可避免的寄生副反应。HER不仅消耗电荷，降低锌电镀/剥离的CE，还会局部升高pH。pH的升高促进了电极表面氢氧化锌和氧化钝化层的形成与沉淀。此外，即使没有外加电流，沉积的锌层也会通过反应（Zn+2H⁺→Zn²⁺+H₂）持续发生化学腐蚀，导致ZHFBs自放电。   锌电镀的形貌由离子传输和界面反应动力学决定。在传统的水性电解液中，Zn²⁺以六水合络合物[Zn-（H2O）₆]²⁺的形式存在。[Zn（H2O）₆]²⁺的去溶剂化过程会形成能量势垒，导致非均匀成核和尖端效应，从而促进枝晶生长。这种现象在高面容量下尤为显著。随着锌沉积厚度的增加，界面对Zn²⁺的需求超过了离子从本体电解液中扩散的速率，从而引发严重的浓差极化。当沉积过程转为扩散控制时，由于扩散距离缩短，突起区域的离子通量增强，从而在循环中加速局部枝晶生长，表明电解液化学是锌电极不稳定性的根本原因。 1.2卤素转化失败的电解液原因分析   卤素转化反应的失败主要归因于四个由电解液主导的挑战。首先，穿梭效应源于可溶性元素卤素（X2）和多卤化物（X3）−在隔膜中的扩散，导致沉积锌发生寄生氧化并快速自放电（Zn+X2→Zn2++2X−；Zn+X3−→Zn2++3X−）。这种交叉现象由这些物质的渗透性决定，而渗透性受络合剂效能及电解液物理性质的影响。其次，I−/I2/I3−卤素氧化还原对所固有的电子转移和相变会导致反应动力学缓慢和高极化现象。反应速率受电解液因素控制，包括局部卤化物浓度、卤素间键合强度及质量传输。第三，生成卤素（尤其是溴和氯气）的挥发性和高腐蚀性会导致活性材料损失，并带来显著的安全与组件劣化风险。最后，卤素物种的反应路径和稳定性高度依赖pH值。例如，在碱性介质中，元素溴可歧化为溴化物和次卤酸盐，导致不可逆的容量损失。 1.3电解液的固有局限性   除了特定电极反应外，ZHFBs的整体性能从根本上受限于传统水性电解液的固有局限性。两个普遍且与系统无关的挑战是：狭窄的电化学稳定性窗口（ESW）以及有限的液相温度范围。工作电压被限制在水的热力学ESW之内，对不同电对施加了严格的约束。体系的工作电压均达到或超过此实际极限，在充电过程中会在正极引发OER。OER会与卤素氧化反应竞争，降低CE、消耗活性材料，并引发有害的电解液变化，从而威胁长期稳定性。因此，电压上限不仅代表了能量密度的限制，更是长期运行稳定性的根本障碍。   枝晶形成、析氢、卤素穿梭、腐蚀以及pH敏感性等挑战在静态和ZHFBs中普遍存在，因为这些现象源于Zn²⁺/Zn及卤素化学的固有特性。然而，由于独特的流动架构，这些挑战的表现形式及缓解要求存在显著差异。连续电解液循环以及功率与能量的解耦提出了不同的要求：液流电池需要严格均一的反应环境，因为任何沉淀物或凝胶都会堵塞电极、流动通道和泵；它们还需要主动的、系统级的pH管理（而非局部界面缓冲）；对材料兼容性要求更宽泛（因腐蚀性电解液会接触泵、管路、密封件和储罐）；以及需要针对数千次循环而非数百次循环的长期循环稳定性。这些差异表明ZHFBs的电解液设计必须超越静态电池策略，将化学功能特性与流体动力学兼容性、动态过程控制及多组分系统集成相结合，以实现实用且可扩展的应用。   2.电解液设计策略   为克服ZHFBs的基本挑战，先进的电解液设计策略已成为关键解决方案。主要侧重于分子层面的设计，以精确调控块体电解液的特性，包括溶剂化结构、锌界面反应、卤素氧化还原反应行为以及pH环境。关键在于，四个方面并非相互独立：Zn²⁺的溶剂化结构直接决定了其界面传输和HER活性，从而调控锌界面反应，进而影响局部pH；反之，pH强烈影响卤素的形态分布和反应路径，而卤离子本身也可能参与Zn²⁺的溶剂化过程，且卤离子的溶剂化结构同样会影响卤素反应的动力学。 2.1电解液组成   电解液调节的基础步骤是对核心成分的合理选择，包括对活性溶质、辅助盐类及功能性添加剂的审慎挑选（图2）。成分的选择直接决定了溶剂化结构、反应行为及pH值。 图2.ZHFBs的电解液组成 2.1.1活性溶质   活性溶质是电解液的核心，为能量存储提供电活性物质。对于阳极电解液而言，首要要求是Zn2+的来源；而对于阴极电解液，活性物质则是卤素离子（X⁻）。锌卤化物盐（例如ZnBr2、ZnCl2）是最常用的选择，可同时作为锌阳极电解液和卤素阴极电解液的来源。此外，先进的配置方案可采用具有不同活性溶质的独立阳极电解液和阴极电解液，以分别优化各电极的反应。例如，硫酸锌被选作阳极电解液的活性溶质，而KI、碘化铵或溴化钾则作为阴极电解液的活性溶质，其中硫酸锌已在静态锌离子电池中得到广泛研究，而K+或NH4+可影响多碘化物的溶解度及电化学双电层的形成。此外，在碱性电解液中，锌源可以复合阴离子形式存在，如Zn(OH)42-或Zn(P2O7)26-，会显著改变沉积机制，尤其是锌沉积电位。   活性溶质的浓度是ZHFBs的关键参数。提高活性溶质浓度会增加载流子数量，从而提升电池容量。然而，当浓度超过某个临界点时，由于离子-离子及离子-溶剂相互作用增强，会导致电解液粘度升高，会降低电解液的离子电导率。此外，高浓度电解液（尤其是“盐水溶液”电解液）会降低水活度，但同时也可能加速腐蚀；当浓度接近饱和极限时，运行过程中还存在盐结晶的风险。 2.1.2辅助盐类   支撑盐由电化学惰性的阳离子和阴离子组成，例如氯化钾、氯化钠、氯化铵、CH3COONH4和CH3COONa。主要功能是通过增加电荷载流子的总浓度来提高离子导电性。尤其在高浓度卤化锌溶液中，支撑离子可提供替代的导电路径，以减轻由粘稠卤化锌基质引起的导电性损失。然而，会导致支撑离子浓度过高并增加溶液粘度。   除了影响整体传输特性外，支撑盐还能调节界面电化学反应及离子-溶剂相互作用。支撑盐中的阳离子种类通过界面效应显著影响锌沉积的形貌。例如，NH4+表现出独特行为，会优先吸附在锌沉积层上。这种吸附会产生一个阳离子屏蔽层，使界面电场均匀化，促进横向锌生长并抑制枝晶形成。此外，在支撑盐的碱金属阳离子中，促进锌均匀沉积的效果遵循K+>Na+>Li+的趋势，与其水合半径和吸附能密切相关。水合能力最弱的K+能轻易接近电极界面，在双电层中形成致密结构并使电场均匀化，有助于实现均匀成核和致密的锌沉积；而水合程度较高的Li+则会形成弥散层，促进枝晶生长。阴离子组分（通常为Cl⁻）在调节Zn2+的溶剂化结构方面发挥着互补作用：Cl–可置换水分子进入Zn2+的初级溶剂化层，形成接触离子对，从而降低电极界面的水活度并提高析氢的过电位。此外，溶剂化结构的改变还会影响Zn2+的脱水动力学，进而调控其成核行为。 2.1.3电解液添加剂   作为功能性组分，添加剂能够选择性地影响界面反应、溶剂化结构及质量传输，从而高效地解决枝晶形成和卤素穿梭两种核心失效模式。在阴极电解液中，络合剂主要被添加用于抑制卤素穿梭现象，络合剂可分为四类：季铵盐、咪唑鎓盐、吡啶鎓盐和亲核试剂。常见的季铵盐包括MEP（N-甲基-N-乙基吡咯烷溴化物）和TPABr（四丙基溴化铵）；典型的咪唑鎓盐是EMImBr（1-乙基-3-甲基咪唑鎓溴化物）；而常见的吡啶鎓盐则是EPYBr（1-乙基吡啶鎓溴化物）。所有络合剂均能通过静电相互作用与多卤化物阴离子结合，随后因疏水相互作用形成致密且不溶于水的液相，它们的络合能力与其分子结构密切相关。亲核试剂通常会将平衡反应（X⁻+X₂⇌X₃⁻）向反应物方向移动，从而抑制穿梭现象，尤其适用于Zn⁻/I⁻电池。Cl⁻、Br⁻、SCN⁻和PVA可分别与I₂结合，形成I₂Cl⁻、I₂Br⁻、I₂SCN⁻和I₂-PVA液相或凝胶络合物，从而抑制I₃⁻穿梭的形成。在阳极电解液中，添加剂旨在通过修饰电极-电解液界面来实现均匀的锌沉积，根据官能团可分为以下五类：（i）羧基（-COOH）。乳糖酸和戊二酸等分子会强烈吸附在锌沉积层上，从而增加成核位点数量并形成更细粒度的沉积物。此外，它们还能与本体电解液中的Zn²⁺发生弱配位作用，微妙地改变溶剂化结构；(ii)羟基（−OH）。乙二醇等添加剂可通过与水分子形成氢键破坏水网络，从而提高HER的过电位；(iii)NH2/−CONH₂。这些基团可吸附在锌表面并参与Zn²⁺的溶剂化壳层，从而改变沉积动力学；(IV)−SO₂⁻/−SO⁻。3,3′-联吡啶磺酸盐和二甲基亚砜（DMSO）等化合物是高效的水分子调节剂。强极性使其能有效与水分子竞争Zn²⁺周围的配位位点，形成贫水的内部溶剂化壳层以抑制HER；(V)金属离子/阳离子。无机添加剂可通过优先沉积或吸附发挥作用。例如，Pb²⁺和Sn²⁺具有较高的HER过电位，相较于Zn²⁺沉积会优先沉积，形成保护层。   3.溶剂化结构设计   基于特定的电解液组成，溶剂化结构设计是将整体性能转化为所需界面行为的关键第一步。溶剂化结构决定了离子传输动力学、界面稳定性以及副反应等关键过程。合理设计溶剂化结构可显著提升ZHFBs的循环寿命、EE和容量。 3.1溶剂化结构的形成机制   电解液中中心离子的溶剂化结构是一个分层结构，主要由一级溶剂化层（内层球壳）和二级溶剂化层（外层球壳）组成。该溶剂化结构的形成是通过分子间力的复杂相互作用实现的。最基础的作用力包括配位键（路易斯酸碱相互作用）、氢键以及偶极-偶极相互作用。这些作用力的相对强度及其协同效应共同决定了溶剂化结构的最终空间排列、稳定性及动态特性。   配位键是形成初级溶剂化壳层的主要且最强的相互作用，直接影响去溶剂化能垒。这种相互作用本质上是一种路易斯酸碱反应：Zn²⁺作为电子对受体（路易斯酸），而溶剂分子或阴离子则作为电子对供体（路易斯碱）（图3a）。Zn²⁺-溶剂配位强度主要受供体数（DN）和溶剂极化率的影响。供体数是路易斯碱性的定量指标，反映了溶剂向中心Zn²⁺提供电子对的能力。与水等较弱供体相比，具有高DN值的溶剂（如二甲基亚砜）能与Zn²⁺形成更强、更稳定的配位键。同时，通过电子云畸变难易度量化的极化率会影响键的共价特性：高极化率溶剂能与Zn²⁺更有效地发生轨道重叠，从而增强相互作用。对于Zn²⁺与阴离子间的配位强度，阴离子的电荷越高、半径越小，其电荷密度越大，静电吸引力就越强（例如：SO₄²⁻>Ac⁻>NO3–>Cl⁻>BF4–>ClO₄⁻>CF₃SO₃⁻>ClOTFSI−）。然而，对于半径较大的阴离子，必须考虑其极化率，即电子云发生畸变的难易程度。高极化率的阴离子会引发额外的极化相互作用或电荷转移，从而增强整体配位强度。主要溶剂化层内的强配位相互作用可增强结构稳定性；同时也会提高去溶剂化能垒。   HBs主导着二级溶剂化层及扩展的溶剂网络。氢键通常形成于溶剂分子之间以及溶剂与阴离子之间，影响离子的迁移率及电解液的整体粘度。更为关键的是，氢键也可存在于一级溶剂化层与外部溶剂分子之间，介导溶剂分子间的交换。氢键具有部分共价特性，其本质是氢原子（作为氢键供体D）与另一个带有孤对电子的高电负性原子（氢键受体A）之间产生的静电吸引作用。氢键的通用表示为D−H···A（图3b）。氢键的强度通常强于范德华力，但弱于配位键；其强度取决于D−H键的极性及氢键受体A的电子密度。此外，较短的H···A距离也会增强氢键作用，当D−H···A角接近180°时，由于轨道重叠与静电作用达到最佳状态，氢键强度达到最大。溶剂之间或溶剂与离子之间的强氢键可限制溶剂的活性，或稳定溶剂化离子。 图3.溶剂化结构设计   偶极-偶极相互作用对于极性非质子溶剂对离子的溶剂化过程以及溶剂化结构的整体稳定性至关重要。这些相互作用本质上是具有永久偶极矩的分子之间产生的普遍静电作用力（图3c）。极性溶剂分子本身具有永久偶极矩；当离子引入时，离子产生的电场会对溶剂分子的偶极矩施加扭矩，使其重新定向，使相反电荷朝向离子排列。该相互作用的强度与参与作用的偶极矩之积成正比，与它们之间距离的立方成反比，其强度弱于配位作用和氢键。极性溶剂与离子之间的强偶极-偶极相互作用可促进盐的解离，从而削弱阳离子与阴离子之间的相互作用，进而提高游离离子的浓度。   不同离子配对构型，溶剂分离离子对（SSIP）、接触离子对（CIP）和离子聚集体（AGGs）的形成，由阳离子-溶剂、阳离子-阴离子以及溶剂-溶剂之间的竞争性平衡所决定（图3d）。在SSIP中，离子被至少一个溶剂层完全溶剂化和分离，其中强烈的阳离子-溶剂配位有效地屏蔽了直接的库仑引力。当阴离子直接与阳离子配位并进入其初级溶剂化层时，即形成CIP（阴离子-阳离子配位结构）。此过程发生在离子对之间的路易斯酸-碱相互作用与库仑吸引力共同克服了被置换溶剂分子的结合能时。这种阴离子对溶剂的取代作用会进一步发展为AGG（阴离子-阳离子桥接结构），其中阴离子桥接多个阳离子，形成以强离子-离子相互作用为主导的簇状结构。 3.2.Zn2+的溶剂化结构

第一作者：杨奉存&张云飞 通讯作者：季云龙 通讯单位：国科大杭州高等研究院 DOI：10.1016/j.cclet.2026.112857 感谢国科大杭高院季云龙团队（第一作者：杨奉存）校稿！ 成果简介   本文报道了烷氧基取代吩嗪衍生物（OSPs），该衍生物可克服多方面技术挑战，并应用于高容量、高稳定性的水系有机氧化还原液流电池（AORFBs）中。作者团队通过简便的双分子亲核取代反应，合成具有不同烷氧基的单取代、二取代和三取代吩嗪衍生物，并系统评估了性能及电池表现。进一步，指导了不对称三取代1,7,8-TROP的开发，1,7,8-TROP同时具备低氧化还原电位、优异的化学稳定性、高水溶性及简便的合成可行性。采用1,7,8-TROP的电池在1.2 mol/L浓度下展现出长期稳定的循环性能，电池电压为1.28 V，容量衰减率极低，每循环为0.0012%，每日为0.012%。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   背景分析   负极有机活性分子设计的核心挑战在于如何同时实现低氧化还原电位、高溶解度和优异稳定性，往往涉及相互竞争的分子层面要求及复杂的权衡关系。例如，通过2,6-二羟基蒽醌（2,6-DHAQ）经氧官能化合成的4,4’-((9,10-蒽醌-2,6-二基)二氧基)二丁酸酯（2,6-DBEAQ），其溶解度较前体化合物提升近两倍，稳定性则提高100倍。但这种改进的代价是其作为负极电解质的电位升高了140 mV，从而导致电池电压性能下降。该分子的氧化还原电位在热力学上由其前线分子轨道的能量决定。要通过策略性降低还原电位来提升电池电压，通常需要提高LUMO能级，通常通过引入电子供体取代基来实现。然而，此类改性可能因填充更高能级的电子态而破坏分子核心结构的稳定性。因此，旨在实现最佳潜力的分子工程必须同时确保快速、可逆的电子转移，并防止分子降解。目前仍缺乏一个系统性框架来指导此类设计（尤其是吩嗪核心结构的设计），该框架需阐明取代模式（取代位置、取代数量及取代基类型）对水溶性储能分子性能的影响。 图文解析 1.OSPs的设计 图1. OSPs作为储能材料应用于AORFBs   2.OSPs的理化研究 图2. OSPs的电化学与理论研究   OSPs通过两步合成路线制备，包括双分子亲核取代反应及随后的水解反应，且无需使用贵金属催化剂。OSPs的化学结构通过核磁共振分析和高分辨率质谱得到确认。   CV分析表明所有吩嗪衍生物在1.0 mol/L KOH水溶液中均表现出可逆的氧化还原活性，其氧化还原电位范围为-0.69 V至-0.55 V。对OSPs取代基的考察表明，烷氧基取代基的数量和位置对分子电位具有全面调控作用。在单取代衍生物中，位于C2位的分子2-MROP其电位略低于C1位取代的异构体1-MROP。此趋势在双取代分子中更为显著：在C3位引入第二个取代基（如2,3-DROP）可使电位显著降低至-0.69 V；相反，在C1位引入取代基对电位影响可忽略不计，体现在2,3-DROP与1,7,8-TROP分子具有相近的电位。结果表明C2位取代基对电化学电位的调控作用比C1位取代基更为显著，凸显了位置选择性在分子设计中的重要性。旋转圆盘电极实验测定OSPs在1.0 mol/L KOH溶液中的扩散系数范围为1.71×10–⁶至3.39×10–⁶ cm²/s，电子转移速率常数介于1.49×10-⁴至1.35×10-³cm²/s之间。   高温时间依赖性¹H核磁共振波谱技术显示所有OSPs在氧化态和还原态下均未出现分解迹象，表明所有OSPs即使在高温环境下也具有卓越的化学稳定性。并且，未检测到异构化或其他副反应产物。同时，DFT研究显示1,7,8-TROP经过充电后，由于电子和质子的引入，re-1,7,8-TROP表现出更高的极化表面静电势。此外，re-1,7,8-TROP中N原子附近的电荷分布发生显著变化：N5原子附近的ESP从-163.3 kcal/mol降至-73.6 kcal/mol，而N10原子周围的ESP颜色从蓝色转为白色，反映了ESP的升高。此外，观察到O原子与H-N10基团之间存在氢键相互作用（O∙∙∙H-N10），原子间距为2.28 Å。1,7,8-TROP的HOMO轨道主要定位于C环，表明C1原子上的烷氧基取代基对HOMO有重要贡献；相比之下，re-1,7,8-TROP的HOMO轨道更集中于B环，表明氧化还原中心主要位于该区域。此外，re-1,7,8-TROP的HOMO轨道在C2-C3位点分布较少，与分子稳定性增强相关，降低了对亲电反应或其他副反应的敏感性。另外，烷氧基取代基的电子供体效应使1,7,8-TROP的LUMO能升高至-2.31 eV，表明化合物具有较低的氧化还原电位。   3.全电池性能 图3. 0.1mol/L OSPs在1.0mol/LKOH中的全电池循环过程   所有OSPs电池的开路电压均高于1.00 V，CE接近100%。在全电池循环测试中，所有OSPs电池在长期充放电循环测试中均表现出较低的容量衰减率，表明其具有优异的电化学稳定性。 图4. 1.2mol/L 1,7,8-TROP AORFB的全电池性能