June 2026

第一作者：魏志权 通讯作者：支春义 通讯单位：香港城市大学 DOI：10.1088/2752-5724/ae7e99 感谢香港城市大学支春义团队（第一作者：魏志权）校稿！ 工作简介 本文系统综述了水系锌基液流电池中的失效机制及最新缓解策略，重点探讨了锌沉积/析出不均匀性、副反应以及交叉/穿梭现象等核心挑战，并介绍了电解液调控、电极结构设计、化学侧交叉控制以及膜/隔膜工程方面的最新进展。同时，文章还深入分析了界面稳定性、传输选择性、离子导电性和全电池性能之间的相互关联与权衡关系。最后，建议未来的研究方向集中在实际条件基准测试、静态电池中开发的策略的强制流动验证、可靠的充电状态和健康状态诊断和控制，以及开发真正可流动的含锌储能器，以实现实用的锌基液流电池。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 各类电化学储能方案中，水基氧化还原液流电池（ARFBs）凭借固有的安全性及灵活的系统设计，在电网级储能领域尤为引人注目。然而，广泛应用仍受到多重因素制约，包括能量密度限制、系统成本、活性物质交叉迁移、电解质形态/平衡问题以及长期自放电现象。例如，近期对钒基液流电池的研究表明阳极液与阴极液中的钒配位化学特性、氧化还原平衡状态以及自放电反应均可能影响电荷保持能力及长时或季节性储能性能，即便交叉迁移并非唯一的衰减途径。最新研究进一步指出，水溶液狭窄的电化学稳定性窗口会限制工作电压；同时，水基电解液中活性物质浓度相对较低也制约了体积能量密度，从而导致系统体积增大和成本上升。在此背景下，水性锌基FBs已成为一类有前景的ARFB，因为锌含量丰富、成本低廉且相对温和，Zn/Zn2+提供了一种低电位、高容量的负极，可以与各种阴极电解液配对。 核心内容 1.液流电池化学体系的比较评估 图1与水系锌基液流电池相关的代表性氧化还原电对及液流电池化学体系的比较 图1a对比展示了代表性氧化还原电对及其电位范围。总体而言，高电位阴极材料更有利于提升电池电压，但实际应用效果取决于电解质的相容性以及水介质中的副反应。锌基体系具有显著优势：锌负极可提供足够低的电位（在碱性介质中甚至比更负的锌酸盐/Zn电对更具优势），从而支持多种阴极材料实现高电池电压。相比之下，全钒体系和铁基体系虽具备成熟的氧化还原电对，但电压窗口较窄；而非水系体系虽能实现高电压，却往往会在成本、反应动力学及电解质处理方面带来额外挑战。 图1b比较了代表性盐类/前驱体的溶解度数据，可作为电解质浓度潜力的实际指标。许多传统水系体系受到溶解组分浓度限制的影响，直接制约了体积能量密度。相比之下，锌基化学体系具有两大优势：(i)锌–溴/锌–碘体系中采用高溶解度卤化物电解质；（ii）负极可实现锌的剥离/沉积反应，从而降低对溶解阳极液容量的依赖。这些特性使得锌基液流电池在追求更高能量密度方面具有明显优势。铁基和钒系仍然是重要的基准，但它们的可用浓度窗口通常较窄。有机体系可进行分子层面的工程设计，但实际应用中往往需要同时平衡其浓度与稳定性。 当综合考虑反应动力学、成本及环境兼容性时，这种权衡关系更为明显（图1c）。多硫化物/卤素体系虽具有良好的溶解性和具有竞争力的成本优势，但环境影响及物种管理问题仍不容忽视。从可持续性角度而言，有机氧化还原型液流电池材料颇具吸引力，但长期分子稳定性和电极界面渗透控制仍是关键挑战。非水系液流电池材料在电压性能方面前景广阔，但常受溶解度较低、反应速率较慢以及电解质成本较高的限制。钒基体系仍是目前最成熟的基准方案，但钒元素的成本高昂及资源供应波动性仍促使人们寻求替代方案。 在锌基体系中，适用的应用场景也取决于化学特性。锌–碘液流电池因其碘化物电解质具有高溶解度和高理论容量而适用于高能量水相储能，但需要严格控制多碘化物穿梭效应及电解质失衡；锌–溴液流电池采用相对成熟且低成本的卤素化学体系，具备高功率潜力，但溴的挥发性、腐蚀性以及多溴化物渗透问题对封装、络合及膜选择性提出了更高要求；相比之下，锌–铁液流电池因铁基氧化还原物种成本低且挥发性小，更适用于安全、低成本的固定式储能；而锌–锰液流电池虽可提供更高的电压/容量，但需精确控制锰形态、pH敏感性以及沉积/溶解的可逆性。因此，锌基液流电池体系的选择应基于目标应用需求，在能量密度、成本、安全性、渗透耐受性及系统维护要求之间取得平衡。在组分层面，使用低成本盐类和低剂量添加剂时锌基液流电池的成本优势最为显著，但可通过使用高浓度卤化物电解质、螯合剂、有机配体或改善溶解性、锌可逆性及渗透抗性的功能添加剂来部分抵消该劣势。因此，溶解度和稳定性的提升需与添加剂用量、电解质可回收性、膜/中间层成本以及加工可扩展性一并评估。 总体而言，水基锌基液流电池在五项评估标准中均展现出最为均衡的性能表现（图1c），解释了其作为实现高能量密度、低成本液流储能技术的实用方案日益受到关注的原因。 2.水系锌基液流电池中的失效机制 如图2a所示，水性锌基液流电池的性能衰减可以从整个电池单元的角度进行分析，包括锌阳极、膜/隔膜传输层以及阴极侧反应。同时，性能下降与这些组件在循环使用及待机状态下存在的各种局限性及副反应密切相关。 图2不同模块中水基液流电池的失效途径 2.1实际运行条件下锌阳极的可逆性损失 锌阳极是水性锌基液流电池中不可逆现象的主要来源（图2b）。充电过程中，由于局部电流浓度、基底异质性和电荷传输限制，锌沉积可能呈现空间不均匀性，从而导致沉积层粗糙、锌层呈苔藓状或出现枝晶生长（图2b-1）。即使在短路之前，形态演变也会扭曲局部场，并破坏随后的镀层/剥离。与此同时，HER和寄生腐蚀（图2b-2）会与锌沉积过程产生竞争，消耗电荷，并可能干扰电极表面附近的局部润湿/流体流动。此外，副反应和钝化现象（图2b-3）会阻碍电荷转移，并在锌去除不完全时留下残留的“死锌”。因此，锌阳极失效更应被视为沉积不均匀性、寄生反应及不可逆锌损失三者共同作用的结果，而非单纯由枝晶问题引起。 2.2在锌基化学体系中，活性物种发生交叉与穿梭 在锌基固态电池中，膜/隔膜相关的降解与活性物质的跨膜迁移及穿梭现象密切相关。如图2c所示，此问题往往与电荷传输阻力相互交织。然而，氧化还原活性物质在膜/隔膜中的迁移是导致容量衰减和界面不稳定的首要因素。活性物质的跨膜穿梭（图2c-1），尤其是在含有高溶解性或高流动性氧化还原物质（如卤化物/多卤化物体系）的系统中，会引发自放电、氧化还原失衡以及容量逐渐下降。除活性物质穿梭外，在渗透压、浓度梯度和电场作用下，水分子及水合离子也能通过膜/隔膜迁移。这种水传输会逐步改变电解质溶液中阳极液和阴极液的体积与浓度，导致电解质失衡、SOC偏差以及循环或待机状态下活性物质利用率的变化。在锌基体系中，此类浓度与体积变化还会进一步影响锌沉积形貌、穿梭严重程度及长期容量保持性能。当活性物质到达锌侧时，在待机或低电流运行期间可能与金属锌发生化学反应，从而加速副反应并加剧界面降解。此外，膜/分离器的传输阻力（图2c-2）可增强浓度梯度并改变离子通量分布，从而间接影响锌沉积行为。因此，活性物种的跨膜迁移与穿梭应被视为与膜相关的核心失效机制，该机制将传输效率与电池整体稳定性紧密关联。 2.3阴极侧界面与动力学失效 阴极侧的限制因素是导致全电池性能衰减的另一个重要原因，如图2d所示。在实际应用的锌基液流电池中，这些问题对于Zn–I、Zn–Fe（铁氰化物/亚铁氰化物）、Zn–Br以及Zn–Mn等氧化还原体系尤为显著。活性物质界面吸附不良与阴极反应动力学迟缓会加剧极化现象、降低活性材料利用率，并导致反应分布不均，还会通过增加浓度梯度和延长高过电位工作时间，间接加剧电荷交叉倾向和传输应力，从而影响整个电池的稳定性。因此，阴极侧的界面/动力学限制应被视为全电池性能衰减的整体机制组成部分，而非孤立的动力学缺陷。 2.4耦合降解、权衡关系与隐性故障加速效应 锌基液流电池中的性能衰减最合理的解释是一种多重权衡关系网络。抑制枝晶生长的策略可能增加界面阻抗或降低离子导电性；而限制物质渗透的选择性膜则会提高电池电阻并加剧浓度极化现象。改善锌沉积的添加剂还可能改变溶液粘度、离子形态或阴极电解液相容性。因此，若缺乏可控的操作条件和监测手段，短期循环性能提升未必能保证长期稳定性。操作流程依赖性是另一个潜在的影响因素：在温和条件下（如低比容量或连续循环）稳定的电池，在涉及待机时间、变化负载或高负荷使用等实际工况下可能迅速劣化。因此，所报道的性能提升应结合匹配的测试条件而非单纯依据循环次数来评估。 另一方面，在实际操作过程中，阳极液与阴极液之间的SOC匹配是另一个影响因素。高SOC运行或长时间处于充电状态待机时，会增加Zn-I和Zn-Br体系中氧化态聚碘化物或聚溴化物的浓度，从而加剧穿梭反应引发的自放电现象以及锌侧的副反应。在中性Zn-Fe体系中，铁氰化物/亚铁氰化物的交叉迁移、锌离子提取不完全以及锌库损耗等因素，即使在短期电压曲线保持稳定的情况下，也可能逐渐破坏阳极液与阴极液之间的氧化还原平衡。 3.解决锌阳极相关问题方面取得的进展 3.1电解质调节 图3.电解质调节策略 碱性锌基液流电池的早期研究进展主要依赖有机添加剂或螯合剂来调控锌化合物化学反应、减少局部沉积并提升循环稳定性，表明简单的电解质调整就能显著影响锌界面处的成核过程、形貌特征及副反应。例如，Feng等人在碱性锌–锰液液流电池中引入EDTA作为螯合添加剂，有效调控了锌化合物化学行为并促进了更均匀的锌沉积，从而提升了循环稳定性（图3a）；Lim等人则报道了一种适用于碱性锌–铁液流电池的先进有机添加剂，该添加剂抑制了锌的局部生长并优化了锌沉积/析出行为，显著提高了电池性能与耐久性（图3b）。 近期的研究更加注重机制层面，重点探讨Zn²⁺溶剂化层、电解质形态以及界面化学。Zhao等人引入甘氨酸以调控中性锌–铁氰化物液流电池中的Zn²⁺溶剂化结构，该方法部分替代了配位水并抑制了氢电极还原反应/腐蚀现象，从而实现更均匀的锌沉积和更长的循环寿命（图3(c&d)）。Nie等人在锌–碘液流电池中设计了一种阴离子型溶剂化结构，该结构调控了锌侧溶剂化及多碘化物相关的界面行为，显著提升了锌的可逆性与循环稳定性（图3(e&f)）。此外，Xuan等人与Yang等人进一步报道了将溶剂化调控与界面控制相结合的协同电解质设计，进一步改善了可逆性（图3(g-i)）。Pagot等人的最新研究还提出了一种适用于锌–多碘化物液流电池的绿色HAc/NaAc添加剂策略：基于乙酸盐的缓冲作用与络合作用可调节Zn²⁺–I⁻配位化学，抑制氧化锌形成，并使锌沉积从树枝状生长转变为更均匀的球形形态。这种电解液调控方案显著提升了锌电镀/剥离过程的可逆性，实现了98%的CE、80%的EE以及47.4Wh L⁻¹的能量密度，充分展现了简单配体/缓冲体系化学方法在同步调控锌离子形态、副反应及沉积形貌方面的潜力。Huang等人还报道了基于氧化还原反应的死锌管理及阳极液再生策略，这些方法能有效提升电池的深度循环稳定性和利用效率（图3(j–l)）。总体而言，电解液的研发方向已从经验性的添加剂筛选模式，转向基于溶剂化效应和功能整合的设计思路，更符合实际应用需求。 2.2间相与功能层工程 图4.界面与功能层工程策略 界面/功能层工程已成为锌负极稳定化的关键策略，能直接调控沉积界面处的成核行为及局部反应环境。核心策略之一是使用亲锌功能层/中间层（如基于铜或铜–锡的界面），以均一化锌核形成并促进更密集的沉积（图4(a&b)）。例如，Wang等人引入了CuZn@MOF保护性中间层以提供亲锌位点并促进均匀的锌沉积；而Nie等人则构建了Cu@Cu6Sn5功能层以调控锌电镀过程并抑制副反应。对于功能层和界面，强制流动验证尤为重要，因为涂层粘附、局部剪切、气泡分离和电解质更新可以决定工程界面在长期流动操作中是否仍然有效。另一项重要进展是改善多孔CF电极上的涂层附着力和结构稳定性（图4c）。Li等人报道了在通过C–O–Cu桥键稳定的碳纤维上涂覆CuZn涂层，该涂层增强了CuZn层与CF基底之间的附着力，保持了更均匀的电流分布，并在高面容量条件下实现了均一的锌沉积。更强的界面耦合性和更稳定的复合涂层有助于维持均匀的电流分布和长期运行性能。此外，膜或隔膜侧的静电调控可通过改变阳极附近的局部离子分布间接影响锌的生长（图4d）。Hu等人开发了一种基于CuAl-LDH的复合膜，其具有定制化的表面静电场，可调控膜–电极界面处的锌酸根离子分布，并促进碱性锌基液流电池中致密、外延式的锌沉积。总体而言，有效的界面工程越来越依赖于结合亲锌性、传输调控和机械稳定性，而非单一功能涂层。 2.3电极结构与沉积空间管理 图5电极结构与沉积空间管理策略 早期使用3D亲锌基质和改性多孔集电体的研究表明引入亲锌组分可以减少局部热点，促进整个电极更均匀的成核，将注意力从平面稳定转移到多孔空间管理。Yin等人介绍了一种锡改性的多功能3D主体，用于调节多孔电极中的锌沉积行为（图5a）。Shi等人报道了采用中空氮掺杂碳球作为亲锌位点，可促进更均匀的锌成核与沉积（图5b）。Lee等人进一步提出了相关的多孔集流体/界面工程策略，可在纤维布电极相关条件下支持更稳定的锌电沉积。近期研究则通过梯度或空间程序化的亲锌位点分布来抑制高场区域附近的优先沉积现象并提升电极深度利用率，Wei等人在水基锌基纤维布中实施的梯度亲锌位点设计即为此例（图5c）。 在高比容量和深度循环条件下，对沉积空间管理的研究也日益受到重视，重点评估可逆锌储存能力、孔隙堵塞抗性以及死锌缓解效果。Sun等人提出了一种通过锡诱导的有效界面调控来扩展锌沉积空间的策略（图5d）。结合将结构设计与电解质或界面调控相结合的方法，这些进展凸显了阳极结构是实现实用化全电池性能的关键因素。与静态电池中的平面电极相比，多孔流动电极会引入额外复杂性。因此，评估电极结构策略时，不仅需考虑枝晶抑制效果，还需综合考量空间利用率、压降耐受性以及在流动电解液环境下的长期孔隙堵塞抗性。 3.活性物质交叉与穿梭现象缓解方面的进展 3.1交叉/穿梭过程的化学调控 图6.化学层面策略 近期一个值得关注的发展方向是利用化学侧调控手段，通过控制被传输氧化还原物质的化学形态、物种状态或聚集状态来降低穿梭效应。此策略在锌–碘体系中尤为显著：通过调节多碘化物的物种分布，既可缓解穿梭效应的影响，又能提升电极容量保持率，而无需完全依赖高选择性膜材料。例如，Nie等人在锌–碘液流电池中构建了阴离子型溶剂化结构，有效调控了多碘化物的配位行为并抑制了穿梭效应引发的自放电现象，从而显著提升了循环稳定性（图6d和6a）；此外，Wei团队开发了一种淀粉辅助策略，通过主客体相互作用限制并稳定多碘化物物种，有效降低了穿梭效应影响，提升了长期性能表现（图6b）。 另一项相关进展涉及阳极液络合/螯合策略，该策略既能稳定锌离子侧的化学反应，又能减少不利的跨膜传输现象（如Zn²⁺跨膜迁移）。在中性锌–铁全电池中，Chen等人提出了一种电解质络合策略，既增强了锌沉积过程的可逆性，又有效抑制了离子跨膜迁移，从而延长了电池寿命并提升了功率性能（图6(c-f)）。这些双功能设计凸显了全电池运行过程中物质传输与界面稳定性之间的内在关联。总体而言，抑制化学侧跨膜迁移已成为膜工程领域的重要补充手段，尤其对于旨在平衡低电阻、成本效益及长期容量保持性的系统而言。 3.2近期用于选择性传输及穿梭抑制的膜策略 图7.采用膜分离技术实现的选择性转运调控策略 膜和隔膜仍是锌基液流电池中缓解物质渗透最直接的手段，但近期研究进展日益强调其多功能性而非单纯的物种阻隔作用。关键考量在于选择性、导电性和耐久性之间的权衡：较高的选择性会增加电阻；而高导电性膜则可能导致更多物质渗透或稳定性受限。从实际应用角度而言，膜的选择应取决于各化学反应过程中的渗透通量差程度及运行条件。当活性物种交叉温和时，或者当化学侧调控扩大、复合或固定运输物种时，低成本多孔隔膜可能就足够了。 相比之下，对于在高SOC、高卤素浓度、高温或长时间静置条件下运行的Zn–I和Zn–Br体系，必须采用更具选择性的膜或功能化隔膜；这类体系中，多碘化物/多溴化物交叉迁移、自放电以及化学腐蚀往往成为导致容量衰减的主要因素。而对于Zn–Fe和Zn–Mn体系，膜设计虽受经典穿梭效应的影响较小，但仍对控制铁/亚铁氰化物或锰物种间的交叉迁移、载流子传输、水分迁移以及电解质平衡具有重要作用。在实际流速条件下，膜材料的耐久性还需涵盖对污染、溶胀、孔隙堵塞、压力致变形以及化学降解的抵抗能力。特别是有机添加剂和螯合剂可能改变水活度、渗透压及聚合物–电解质相互作用，从而影响膜的吸水性能、尺寸溶胀程度、通道尺寸以及活性组分的渗透性。即使初始导电性和跨膜电阻表现良好，这些效应仍会逐渐降低膜的选择性或机械稳定性。 最新进展包括复合膜及表面功能化界面，这些结构能够在保持可接受离子导电性的同时调控选择性传输。在锌–碘液流电池中，Hu等人通过氧化物–碘加合物化学方法，在多孔载体上设计出具有局部高碘浓度（LHIC）的复合膜（图7a）。该设计结合了碘吸附、Donnan排斥效应及浓度梯度效应，有效抑制了多碘化物的渗透现象，并提升了CE与EE，同时提高了电池的循环稳定性。 膜设计领域已进一步扩展至涵盖实际条件下水合离子及水的传输调控。Wei等人报道了一种离子分子筛膜，该膜能选择性截留水合离子簇、抑制多碘化物的穿梭转运，并在高SOC和高容量条件下缓解水分失衡，从而实现锌–碘电池的长寿命运行（图7b）。此外，Wu等人报道了具有优先K⁺传输特性的金属配位聚苯并咪唑（PBI）膜（图7c与d）；Yuan等人则报道了带负电荷的纳米多孔膜（图7e至g）。基于通道特性与电荷特性的膜设计均实现了静电辅助的跨膜传输控制以及膜耦合的锌沉积调控，凸显了膜组件功能向智能化方向发展的趋势。 核心结论 […]

第一作者：宋治翰 通讯作者：张本贵 通讯单位：沈阳化工大学 DOI：10.1016/j.est.2026.122865 感谢沈阳化工大学张本贵团队校稿！ 工作简介 本研究通过将具有扩展π共轭结构的异喹啉基团接枝到刚性金刚烷骨架上，开发出一种含异喹啉功能化金刚烷的聚芳醚酮（IQAPEK）膜，从而增强阳离子位点处的电荷离域效应。此外，采用热辅助磷酸溶胀诱导微相分离策略，在相对较低的离子交换容量下构建了连续高效的离子传输路径，有效克服了低IEC膜的导电性局限。所得IQAPEK膜表现出1.23mmol g⁻¹的离子交换容量，同时实现0.11Ω cm²的低面电阻（优于Nafion 212的0.12Ω cm²），且溶胀比仅为10.52%。使用IQAPEK-110膜组装的VRFBs展现出85.38%的优异EE以及在200mA cm⁻²下超过2000次循环的卓越循环稳定性。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 高性能离子交换膜在能源转换与存储、分离过程以及液流电池、燃料电池、水电解系统和电渗析等电化学设备中发挥着日益重要的作用，对膜的整体性能都有严苛要求。特别是在VRFB系统中，膜作为关键功能组件，既能分隔正负极电解质，又能实现选择性离子传输。面电阻、离子选择性和化学稳定性直接决定了VRFBs的EE、循环耐久性及商业化可行性。Nafion膜在高氧化性的钒电解液中具有优异的质子导电性和化学稳定性，因此常被用作VRFBs的基准膜材料。然而，高昂的成本以及显著的钒离子渗透现象严重制约了大规模应用，钒离子渗透会引发自放电和容量衰减。因此，低成本、高性能非氟化替代膜的研发已成为积极的研究热点。 核心内容 图1.不同膜的FTIR FTIR光谱显示具有聚芳醚酮骨架的CAPEK和IQAPEK膜，1654 cm-1和1242 cm-1处的特征吸收带分别归因于C-O和C-O-C基团的伸缩振动。在IQAPEK-virgin和IQAPEK-110膜的光谱中，于1593 cm-1处观察到的一个明显吸收峰可归因于芳香环（包括苯环和异喹啉环）的骨架振动。此外，与CAPEK膜相比，在IQAPEKvirgin和IQAPEK-110膜中还观察到约1400cm-1处出现新的吸收峰，可合理地归因于异喹啉基团的C-N伸缩振动。FTIR结果证实了异喹啉基团已成功整合到IQAPEK膜的聚合物结构中。IQAPEK膜在DMSO和氯仿中均不溶，进一步表明其具有优异的结构稳定性 图2.IQAPEK膜的形态与结构特征 TEM显示IQAPEK原始膜表现出均匀的形态，没有明显的明暗对比，表明单独引入异喹啉鎓阳离子不足以在膜内自发形成连续的离子传输途径。相比之下，在110℃、85wt%磷酸溶液中通过溶胀诱导微相分离处理的IQAPEK-110膜呈现出明显的纳米级明暗对比，清晰显示出显著的微相分离结构。进一步，EDS显示IQAPEK原始膜与IQAPEK-110膜均呈现氮、硫元素相对均匀的分布，未观察到明显的宏观元素聚集或相分层现象，表明溶胀处理并未引发微米级的相分离。SAXS表明与IQAPEK原始膜相比，IQAPEK-110膜在q=1.25nm⁻¹处出现显著散射峰，对应特征性离子传输通道尺寸约为5.0nm，明确表明膜内形成了结构清晰的纳米级微相分离结构。 图3.IQAPEK膜的膜性能 在磷酸（浓度85wt%）中，IQAPEK膜的ADL值随掺杂温度从90℃升至130℃而单调递增，其变化顺序为IQAPEK-90<IQAPEK-110<IQAPEK-130，ADL从3.99升至8.29。并且，随着掺杂温度从90℃升至130℃，IQAPEK膜的吸水率从37.2%增至54.9%，且始终处于可控范围内。此外，在130℃下使用85wt%磷酸条件下，IQAPEK膜仅表现出54.9%的中等吸水率，归因于刚性且高疏水性的金刚烷骨架对亲水区域过度溶胀的抑制作用。其中，IQAPEK-110的吸水率为42.0%，与Nafion 212（40.4%）相当，表明其离子导电性与结构稳定性之间达到了良好的平衡。 同时，当掺杂温度从90℃升高至130℃时，IQAPEK膜在磷酸（85wt%）中的溶胀比从10.52%上升至20.73%，可归因于高温下磷酸的扩散和溶胀能力增强，同时增塑效应提高了聚合物链段的运动性，从而促进磷酸分子在亲水离子域内富集并参与离子通道的构建。相比之下，IQAPEK膜在硫酸（3M）中的溶胀比仅从5.95%升至13.2%，整体低于磷酸溶液中的数值，主要源于两种酸的浓度差异及溶胀能力的不同。 电阻测试显示未经处理的IQAPEK原始膜表现出极高的面电阻值为69.59Ω cm²，表明仅引入异喹啉基团不足以在膜内构建高效且连续的离子传输路径。随着掺杂温度从90℃升至130℃，IQAPEK膜的面电阻分别显著降至IQAPEK-90、IQAPEK-110和IQAPEK-130的0.20、0.12和0.11Ω cm²。 并且，在3M H₂SO₄溶液中测得的IQAPEK膜质子电导率随掺杂温度升高而显著增加：IQAPEK-90、IQAPEK-110和IQAPEK-130的质子电导率分别为42.46、48.48和71.66mS cm⁻¹，其中IQAPEK-130略高于Nafion 212（71.33mS cm⁻¹）。结果表明基于通过溶胀诱导微相分离形成的纳米级离子传输通道，延伸的π共轭异喹啉阳离子的存在使IQAPEK膜即使在相对较低的IEC下也能实现较高的整体离子电导率。 图4.IQAPEK膜的其它性能 IQAPEK-virgin、IQAPEK-90、IQAPEK-110和IQAPEK-130膜的极限拉伸强度分别为69.08MPa、56.91MPa、52.87MPa和45.51MPa。随着掺杂温度从90℃升高至130℃，极限拉伸强度逐渐下降，可归因于在较高温度下，水分子更容易渗透到膜的亲水区域并产生增塑效应，从而增加聚合物链段的运动性并部分削弱分子间相互作用，最终导致拉伸强度降低。 此外，IQAPEK-130膜的钒渗透性达到13.6×10⁻⁷ cm²·min⁻¹，约为IQAPEK-90膜（1.74×10⁻⁷ cm²·min⁻¹）的7.8倍，可归因于较高掺杂温度下形成了更宽且相互连接更强的亲水性离子传输通道，为钒离子迁移提供了额外路径。然而，尽管溶胀度增加，IQAPEK膜的钒离子渗透性仍然明显低于Nafion 212，可以归因于带正电的异喹啉基团和多价钒离子之间的Donnan排斥效应，有效地抑制了钒的交叉。 进一步，所有IQAPEK膜均表现出比Nafion 212更高的离子选择性（1.72×10⁴ S min cm⁻³）。其中，IQAPEK-90膜显示出最高的离子选择性（24.39×10⁴ S min cm⁻³），而IQAPEK-110膜也保持了相对较高的离子选择性（7.93×10⁴ S min cm⁻³）。更高的离子选择性通常意味着对活性钒物种跨膜迁移的抑制更为有效，有望有助于缓解长期VRFB运行过程中的自放电现象和容量衰减。 图5.使用IQAPEK和Nafion212膜的VRFB电池效率 在200mA cm⁻²下，IQAPEK-110和IQAPEK-130膜的充放电曲线间电压差显著小于IQAPEK-90膜。而与Nafion

第一作者：牛峥嵘 通讯作者：冯海涛 通讯单位：中国科学院青海盐湖研究所 DOI：10.1016/j.electacta.2026.149301 感谢中科院青海盐湖所冯海涛团队（第一作者：牛峥嵘）校稿！ 工作简介 本研究证明乙酸铵（AMA）可作为单向分子开关，通过逐步调控Cr³⁺配位微环境来触发不可逆配体交换催化：NH₄⁺首先促使配位H₂O被Cl⁻取代，从而“激活”电活性中间体[Cr(H₂O)₅Cl]²⁺；随后乙酸阴离子（Ac⁻）置换Cl⁻，使高扩散性的[Cr(H₂O)₅(Ac)]²⁺配合物“稳定”，完成单向配体交换催化过程并增强Cr³⁺扩散。此机制使电池循环寿命延长近600倍（1000次循环后容量保持率达36%，而原始电解液在100次循环后仅保持0.06%），同时将HER过电位提升60mV，在40mA cm⁻²下实现稳定的345mAh放电容量。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 铁铬液流电池（ICRFBs）凭借卓越的成本竞争力、丰富的元素组成及良好的环境兼容性，引发了广泛的研究关注，成为电网级储能领域极具前景的解决方案。然而，在实际应用中，ICRFBs的性能会因常温运行条件下固有的电解质失活现象而显著受限。在酸性水介质中，Cr³⁺主要以动力学惰性的d²sp³杂化配位物种形式存在，其中八面体对称结构的[Cr(H₂O)₆]³⁺配合物具有最高的热力学稳定性。这种闭壳层配位结构赋予其极强的动力学惰性，导致电极界面处的电化学氧化还原反应速率极为缓慢。动力学效率低下不仅严重抑制了Cr3+/Cr2+氧化还原反应动力学，而且在负极引起了明显的HER寄生副反应，伴随着电极–电解质界面局部pH升高。电化学惰性物种[Cr(H2O)6]3+与电活性物种[Cr(H2O)5Cl]2+之间的化学平衡是决定电解质活性的关键因素，然而过去二十年间对铬配位络合物生成过程的深入微观研究仍较为匮乏。为突破此关键瓶颈，科研界投入大量精力通过添加多种电解质添加剂来改善Cr3+/Cr2+的氧化还原动力学并抑制HER。 核心内容 1.电解质电化学特性的优化 图1电解液优化 在50mL min⁻¹时，系统实现了最小的电压滞后（ΔU=31.3mV）和优异的库仑效率（CE=94.59%）。充足的电解液停留时间可确保Cr3+/Cr2+氧化还原反应充分进行，同时避免因流体剪切力过大导致的界面扰动。将流速提升至80mL min-1时，CE提高至95.87%，极化值也略微增大（ΔU=34.9mV）。当流速进一步从100mLmin-1增至300mLmin-1时，CE逐渐下降并伴随极化持续增强：CE依次降至90.92%、89.68%、90.88%和86.88%，而ΔU则连续上升至54.3mV、73.5mV、133.2mV和170.5mV。高流速下的性能衰减主要源于流动不稳定性、物质停留时间缩短以及泵送损耗增加。最终，确定所有实验均采用50mL min-1作为固定流速。 粘度随添加剂浓度增加呈单调上升趋势，从0mol L⁻¹时的2.17mm² s⁻¹升至0.7mol L⁻¹时的2.83mm² s⁻¹，归因于添加剂引起的离子强度增强与溶剂化效应，强化了分子间相互作用并增加了流动阻力。相反，电导率随添加剂浓度的增加而逐渐降低：从0mol L⁻¹时的295mS cm⁻¹降至0.7mol L⁻¹时的245mS cm⁻¹，很可能源于粘度增加对离子迁移率造成的阻碍作用，或离子对/复合物的形成导致自由电荷载流子浓度下降。综上所述，结果表明CH₃COONH₄的引入会在电解质电导率与粘度之间引发显著的权衡关系。 图2使用原始电解液及含有不同浓度乙酸铵的电解液时ICRFBs的电化学性能 含AMA的电解液相较于原始电解液表现出提升的容量保持率，其中0.5M AMA体系最佳。原始电解液呈现渐进且持续的容量衰减现象，其CE、EE和VE均缓慢下降，归因于动力学惰性离子[Cr(H₂O)₆]³⁺的固有失活以及持续存在的HER。与之形成对比的是，经0.5M AMA改性的体系在整个循环过程中始终维持约93%的稳定容量效率、接近73%的高EE以及持续优异的VE。 充放电电压曲线证实在AMA改性体系中极化效应降低，当浓度超过0.5M时，性能会下降，因为过量的AMA会增加电解液粘度并阻碍离子扩散。总体而言，0.5M的AMA浓度在配位活化、质量传输和长期稳定性之间实现了最佳平衡；在此浓度下，电解液在局部配位活化与整体传输阻力之间达到了最优平衡状态。   2.电解质的光谱表征 图3添加0.5mol L-1AMA前后电解质配位结构的光谱表征 含有0.5mol L⁻¹AMA的电解液拉曼光谱在2949.29 cm⁻¹和896.50 cm⁻¹处出现两个新的特征峰：2949.29 cm⁻¹处的峰归属于CH₃COO⁻中甲基的C–H伸缩振动；而896.50 cm⁻¹处的峰则源于与乙酸根配位相关的金属–氧（Cr–O/Fe–O）伸缩振动。FT-IR光谱在1433.20 cm⁻¹处显示出一个新的特征吸收峰，对应羧酸根基团（νₛ(COO⁻)）的对称伸缩振动。此外，游离AMA中甲基的C–H伸缩峰位于3005–3015 cm⁻¹，而在羧酸根配位后移至2945–2950 cm⁻¹，表明配位壳内分子运动受限导致了约50–60 cm⁻¹的红移。AMA掺入引发了颜色从绿色向粉色的明显转变，并伴随紫外–可见吸收谱的显著变化，表明电解液内部发生了显著的配位结构重排。   3.电化学性能及动力学分析 图4电化学动力学分析与气体析出特性表征 含AMA的电解液表现出明显减小的峰电位差，表明氧化还原反应可逆性显著改善。EIS结果显示与原始电解液相比，0.5mol L-1AMA改性电解液展现出更低的串联电阻（Rs：3.3Ω对比4.5Ω）和更低的极化电阻（Rp：8.0Ω对比9.6Ω）。结果证实AMA既提高了电解液的离子导电性，又优化了电极界面处的电荷转移动力学。此外，0.5mol L-1AMA电解液在2至10mV s-1的扫描速率范围内均表现出优异的CV稳定性，而原始电解液则不然。原始电解液存在严重的电压极化现象，而AMA的引入显著抑制了电压损失，从而大幅降低内部极化程度并显著提升电池整体性能。量筒水置换法定量分析显示原始体系在20次循环中产生约20mL气体，而含AMA的体系仅产生5mL气体，相当于氢气释放减少了四倍，证实了AMA的HER抑制作用。 图5.理论计算与离子传输动力学分析 AMA通过稳定电极表面吸附的H*中间体，将HER能垒提升60mV（从280mV增至340mV），并将速率决定步骤从H*吸附转变为H*脱附，从而有效抑制副产物氢气的生成。不同电解质体系的均方位移分析显示在15ps时间点，[Cr(H₂O)₅Cl]²⁺（CH-5）与[Cr(H₂O)₆]³⁺（CH-6）的MSD曲线收敛表明两种物种具有相似的整体扩散行为。CH-5-AMA体系展现出卓越的Cr³⁺扩散迁移率，远超其他所有体系；具体而言，不仅能提升Cr³⁺的扩散效率，还能通过使反应过电位升高60mV来抑制HER反应。综上所述，AMA通过调控Cr³⁺的溶剂化结构来加速Cr³⁺/Cr²⁺的氧化还原动力学，从而缓解容量衰减并提升长期稳定性。

第一作者：Mike L. Perry 通讯作者：Mike L. Perry 通讯单位：Storion Energy DOI：10.1149/2754-2734/ae4815   工作简介 鉴于多数RFB系统需用于长期应用（如超过10至20年），选择不易降解的材料至关重要。本文提出一系列测试方法，用于针对多种潜在降解机制筛选候选RFB膜。迄今为止，RFB膜的耐久性评估通常仅限于其在正极电解液氧化环境中的化学稳定性。虽然此问题重要，但还需考虑其他膜降解机制。为加速该筛选流程，作者团队设计了一套采用加速试验或高灵敏度检测技术的测试方案，以识别可能持续更长时间的降解迹象。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 RFB的需求与应用前景已成为近期多篇综述文章的研究重点，这些文章主要探讨了VRFB型电池、膜改性策略以及多孔离子导电膜（ICMs）等主题。然而，这些综述文章的主要关注点始终集中在RFB膜的性能特性，对新型膜材料的耐久性却鲜有涉及或仅作简要提及。即便在那些专门探讨耐久性的研究中，相关讨论也通常局限于正极电解液高氧化环境下的化学稳定性方面。尽管确实是重要的耐久性问题，但还需考虑其他膜降解机制。其中部分耐久性问题尚未被充分认知，公开文献中尚未提出评估膜材料针对这些其他降解机制稳健性的方法。鉴于大多数RFB系统需用于长期运行（例如>10–20年），选择不会因已知RFB膜降解机制而发生劣化的材料至关重要。理想情况下，应在研究膜性能特性之前进行材料稳定性筛选。例如，膜的电阻取决于其厚度和孔隙率。此外，如前所述，性能指标的优化是一个极具挑战性的难题，往往需要耗费大量开发时间。为高效完成此类筛选，需要采用一系列加速测试或运用灵敏检测技术的膜降解测试方法，以识别那些可能持续较长时间的降解迹象。 核心内容 1.膜的筛选流程 图1膜筛选试验流程图 简而言之，此系统性评估的目标在于筛选出具有机械稳定性、化学相容性且不易导致RFB电池性能异常下降的膜材料。为缩短耐久性评估所需时间，所有测试均采用加速应力测试（AST）或灵敏检测技术来识别可能持续存在于RFB电池中的劣化迹象。要开发有效的AST方法，需深入理解其劣化机制。   2.复合膜：加速剥离试验 图2.加速膜剥离试验过程中增强膜X（上）与膜Y（下）的图像 本文展示了两种市售增强膜在实验部分所述加速应力测试中的测试结果。“膜X”增强膜在测试后保持完整，未出现可见裂纹或气泡，表明膜与增强层之间具有良好的界面粘附性；说明增强膜能够承受此类严苛测试条件，且在VRFB等渗透压差较小的环境中也不易发生分层现象。相比之下，“膜Y”则出现严重结构损伤和分层，证实膜基质与增强材料之间的粘接性能不佳会在强渗透应力条件下导致显著机械性能劣化；因此，“膜Y”未能通过本次严苛测试。   3.膜浸出试验 图3.提取溶液在60°C、4M硫酸中的循环伏安图 在室温和60°C条件下，使用4M硫酸进行了膜萃取研究。在每条伏安图中，红色CV曲线对应仅使用4M硫酸的情况，蓝色曲线则代表在4M硫酸中的膜萃取过程。在“膜A”中，酸溶液与膜提取液的循环伏安曲线轨迹重叠，表明未检测到电活性物质。相比之下，“膜B”在膜提取样品中显示出氧化峰，其氧化还原电位约为1.8V（相对于Ag/AgCl）。结果表明可氧化物质从该膜中渗入硫酸溶液。膜B会向电解质释放可氧化物质，而膜A在浸泡过程中保持化学稳定性，不会向酸溶液中引入任何可检测的氧化或还原组分。 图4.在分别使用4M硫酸溶液流经各电池且电池与以下结构组装的情况下，随时间变化的面电阻（ASR）变化：(a)膜A；(b)膜B 在两种情况下，膜电阻均在最初几小时内下降，可能是由于初始干燥状态的膜暴露于硫酸时发生水合作用所致。使用膜A的电池表现出更快的电阻下降速率，并在约24小时后达到稳定的低电阻值，与膜内的水合平衡状态相符；相比之下，使用膜B的电池初始电阻下降幅度较小，但在数小时酸循环作用后电阻逐渐升高，表明CV研究中鉴定出的可氧化浸出物可能对膜内的质子转运产生不利影响。虽然具体机制尚未完全阐明，但EIS实验结果表明：使用膜B的电池其膜电阻不仅更高且稳定性较差，而未采用该膜的电池（如使用膜A的电池）则表现稳定。因此，膜B未能通过此项测试。   4.氧化稳定性试验 所有完全氟化的IEM，如PFSAs型膜，均能通过此项测试。公开文献中已报道非氟化IEM在VRFB电解液中多次出现测试失败的情况，包括：SelemionCMV膜、磺化Radel膜以及磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜。在V(V)电解液中唯一通过该测试的非氟化IEM是磺化PBI膜。   5.电池电阻测试 图5.非短路与短路电池在充放电过程中的电池电压(a)及电流(b)、(c) 标记为“短路”的电池干态电阻为35Ω，而标记为“非短路”的电池干态电阻为1100Ω。在恒流充电阶段，由于膜穿孔导致内部电阻降低，短路电池的电压上升速度较非短路电池更为缓慢；而在恒压阶段，短路电池维持的电流更高，且达到充电结束时的OCV所需时间略长，表明部分施加电流是通过寄生电气短路损耗掉的，而非用于活性物质的电化学转化过程。 因此，与未短路的电池相比，短路电池表现出略低的CE和略高的VE。Storion将干电池电阻小于1000Ω的电池视为不合格品，因为使用当前BOM电池组件的实验室规模电池通常可构建出该电阻值或更高的电阻。此外，在此干电池电阻限值下，VE和CE的重复性均非常良好；当电阻值较低时则并非如此。结果表明电气短路会掩盖实验室规模电池中膜的真实性能。电气短路不仅增加了高性能膜筛选的复杂性，还显著影响了电池间的可重复性。 核心结论 鉴于大多数RFB系统均设计用于长期使用场景，因此选择不易降解或不会导致其他RFB电池组件降解的膜材料至关重要。本文推荐的测试方案可针对多种潜在降解机制对候选RFB膜进行筛选。为加快筛选流程，这些测试采用加速试验方法或高灵敏度技术来检测可能持续更长时间的降解迹象。所有这些降解机制均已在RFB膜材料中得到证实；本文还提供了通过与未通过各项推荐测试的膜材料实例，证明这些测试方法兼具实用性和可行性。本文所述的所有测试均可根据不同的RFB化学成分进行调整；如有需要，亦可修改测试条件的严苛程度及合格判定标准，以适应不同类型的电池结构或运行工况。 本文还简要探讨了如何评估RFB膜的性能，应成为下一阶段筛选通过耐久性测试的新候选膜的核心重点。文中亦列举了一些可能缓解导致筛选测试失败的各种劣化机制的方法。然而，需要深入理解这些劣化机制的本质规律，才能开发出更多种类的膜结构与材料，从而提升RFB电池的耐久性和性能。相关议题包括：(i)复合膜因溶胀或渗透应力引起的机械降解机制；（ii）RFB电解质中IEMs的化学降解或氧化过程；（iii）可从膜中渗出的物质种类；（iv）渗出物与RFB电池之间的相互作用机制。

第一作者：鲁文静 通讯作者：李先锋 通讯单位：中科院大连化学物理研究所 DOI：10.1038/s41560-026-02053-2 工作简介 液流电池（FBs）是适用于电网级应用的最具吸引力的LDES方案之一。FBs通过液态电解质的可逆氧化还原反应储存能量，具备高安全性、良好的环境兼容性以及长循环寿命。FBs中功率与能量具有独特的解耦特性：功率由电池电堆决定，而能量容量则取决于外部储液罐中电解质的浓度和体积。这种模块化结构支持独立扩展，并适用于长期运行场景。钒液流电池（VFBs）是最成熟的液流电池化学体系之一，其工作原理基于阳极液和阴极液中钒离子的价态变化。尽管早在二十多年前就已开展早期示范，VFB的部署仍长期受限。FBs大规模商业化应用主要受到电堆功率密度不足、电解液稳定性差、组件（尤其是电解质和膜）成本高昂以及实际运行条件下出现的可靠性问题等制约。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 液流电池（FBs）是适用于电网级应用的最具吸引力的LDES方案之一。FBs通过液态电解质的可逆氧化还原反应储存能量，具备高安全性、良好的环境兼容性以及长循环寿命。FBs中功率与能量具有独特的解耦特性：功率由电池电堆决定，而能量容量则取决于外部储液罐中电解质的浓度和体积。这种模块化结构支持独立扩展，并适用于长期运行场景。钒液流电池（VFBs）是最成熟的液流电池化学体系之一，其工作原理基于阳极液和阴极液中钒离子的价态变化。尽管早在二十多年前就已开展早期示范，VFB的部署仍长期受限。FBs大规模商业化应用主要受到电堆功率密度不足、电解液稳定性差、组件（尤其是电解质和膜）成本高昂以及实际运行条件下出现的可靠性问题等制约。 核心内容 1.用于电堆结构功率密度的膜材料 早期的FBs使用了商业化的全氟磺化离子交换膜（如Nafion），这类膜导电性高但成本高昂（>700美元/m²）且选择性低，导致容量衰减和效率降低。价格较低的非全氟磺化芳香族聚合物（如磺化聚醚醚酮（SPEEK））则具有更高的选择性；然而，由于引入了离子交换基团，易被VO2+物种侵蚀。2012年，作者团队开发了一种多孔尺寸排阻膜，可将水合钒离子（>0.8nm）与水合质子（~0.41nm）有效分离，从而提升化学稳定性和电池寿命。然而，在钒选择性与质子传导性之间仍存在权衡关系。 通过对离子传输机制及膜结构与性能关系的深入研究，作者团队设计出不对称复合膜结构：将多孔支撑层与薄型选择性分离层相结合（图1a）。采用具有规则孔道（宽度0.5nm）的沸石材料实现高选择性。此外，作者团队还通过界面聚合技术制备了厚度为180nm的聚酰胺分离层，以防止其从支撑层上剥离。 基于早期成果，作者团队制备出一种超薄（3µm）、独立式聚合物复合膜，其在143nm的分离层中具有准有序网状结构，实现了极低的面电阻以及在整个pH范围内较低的钒渗透性（图1a）。该复合膜可在高达300mAcm⁻²下运行，同时保持超过80%的EE，有助于提升电池电堆的功率密度。该复合膜的商业化产品在电化学性能和成本方面均优于Nafion 212。其耐久性测试已突破25000次循环，年产量现已达到200000平方米，单位成本低于50美元/平方米。   2.电堆流场与设计 虽然膜是决定电堆功率的关键因素，但要实现高功率密度还需优化流场结构和电极设计，以最大限度降低浓差极化效应和传质损失。在液流电池电堆中，流场指的是分布电解液至各电极表面的通道网络系统，它既能促进电化学反应，又能调控物质传输过程。经过精准调控的流道能快速均匀地将电解液分布至各电极表面，从而避免局部浓差极化现象。然而在传统流场结构中，电极角落处容易形成滞留区域，不仅会限制物质传递效率，还会导致严重的浓差极化问题。 电堆内部的多种复杂因素共同决定了运行效率和可靠性。然而，这些耦合效应在实验中难以被单独分离和明确阐明。因此，作者团队建立了三维数值模拟模型，重点针对优化流场结构展开研究。基于对电解液流速及氧化还原活性物质浓度的分析结果，作者团队设计了梯形流场结构：该流场的横截面积沿流动方向逐渐收窄，使得流速从入口到出口逐步增加，加速了电解质的运动，并确保了电极上更均匀的分布。受这些结果启发，作者团队开发了一种采用超薄电极的电堆设计，该设计可缩短电子传输路径并最大限度地减少氧化还原活性物质的传输距离（图1b），使得电堆结构在实际工作条件下能够实现更高的功率密度。采用这些设计的新一代30kW和70kW电堆，其功率密度是早期设计的两倍，同时成本降低40%。   3.用于提高能量密度和稳定性的电解质 电解质是钒液流电池（VFB）中的能量储存介质，其氧化还原活性物质的浓度和体积决定了系统的储能容量。从历史数据来看，1MW/4MWh的VFB系统中，电解质约占总成本的30%。传统电解质含有钒离子混合物（VO2⁺/VO2⁺及V²⁺/V³⁺）、辅助电解质及添加剂，但存在能量密度低、热稳定性差的问题。当温度超过50°C时，五氧化二钒会从水合VO2⁺中析出，导致局部电压骤升并最终引发电池电堆故障。 为解决沉淀问题，作者团队系统研究了水合VO2⁺的温度依赖性转化机制。研究发现，水合VO2⁺([(VO)2(H2O)₃]+)通过四步去溶剂化和脱氢反应转化为VO(OH)₃，随后进一步生成五氧化二钒；其热不稳定性源于限速步骤中的第二步质子解离（图1c）。基于此发现，作者团队开发了一种阴离子–阳离子配位策略以抑制VO(OH)₃的转化。具体而言，配位阴离子或阳离子（如Cr³⁺）可通过增强二氧化钒离子与水分子的结合来稳定水合二氧化钒离子，从而抑制VO(OH)₃的形成及其向五氧化二钒的后续转化（图1c）。这种协同效应显著拓宽了钒电解质的热稳定性范围，使其能够在高温条件下稳定运行。因此，电解质中氧化还原活性物质的浓度从1.6M提升至2.0M，系统能量密度相应提高了约30%。融科储能目前以年产能2GWh大规模生产该电解质。 图1.膜结构、流场及电解质的设计策略   4.从试点阶段到全面推广部署 过去20年间，作者团队的工作重点始终在于将VFB转化为商业应用。关键组件（包括膜、双极板和电极）成本的降低以及电堆性能的提升，使得VFB得以从试点项目发展为并网运行系统。例如，融科储能公司于2012年生产的1MW/4MWh系统成本约为每千瓦时850美元；而改进后的系统目前成本降至约每千瓦时300美元，电堆成本也从每千瓦时超过1200美元降至约250美元。成本降低，加之电解液能量密度和稳定性的提升，使得该系统的大规模应用在经济上具有可行性。 融科储能已在华完成超过30个项目。在全球范围内，该公司已安装超过4GWh的VFB，占据示范市场的重要份额。2022年，一座100MW/400MW时的VFB调峰电站在中国大连首次并网运行；随后又在多个项目中部署了更多100MW级系统。至2025年，一套200MW/1GWh的VFB系统将与MW级光伏电站协同运行，以稳定可变可再生能源供电并提升电网可靠性。   5.经验教训与未来展望 试点测试与产业合作是将VFB研究成果转化为实际应用系统的核心环节。通过与行业合作伙伴的合作，作者团队能够在部署商业上可行的系统之前，在现实条件下构建原型并测试中试规模的VFB电堆。这些初步试验对于识别在理想化实验室条件下（如使用小型膜片、有限电解液体积以及短时恒定条件循环操作）无法显现的问题至关重要。例如，只有通过在高酸性和氧化性环境中对膜电堆进行测试，才能揭示膜的降解情况，从而为优化膜稳定性提供关键数据；因此，设计出具有高选择性、导电性能优异且耐用的膜材料才成为可能。总体而言，初步研究与基础研究共同构成了一个重要的创新循环体系，推动相关技术从概念阶段走向市场应用。 合作伙伴的选择同样至关重要。作者团队优先选择那些拥有互补技术体系、能源运营模式一致且具备关键材料制造专长的合作伙伴。所有合作项目均采用风险共担机制，确保在测试与部署环节共同承担责任。随着VFB技术向更广泛市场拓展，与已具备储能基础设施或部署经验的合作伙伴开展协作仍具有关键意义。与此同时，持续开展降低成本和提升可靠性的研究将有助于加速该技术的市场普及。 持续的科学突破对于降低系统成本和提升可靠性至关重要。重点研究领域包括开发成本更低、性能更稳定的材料（尤其是膜材料和电解质），以及开发更高功率密度的电池电堆。对于自放电问题更为严重的LDES而言，具有快速质子传输能力的高度选择性膜材料尤为关键；而要实现更高的能量密度，则亟需稳定性更强的电解质。还需在实际运行条件下考量关键材料之间的相互作用。早期在未经充分验证的情况下引入新材料的尝试已表明：必须平衡性能、耐用性和成本三者关系，而非仅追求单一指标。 优化的电堆结构对于提升物质传输与热传递效率、加速电化学反应进程至关重要。除技术改进外，电解液租赁等商业策略可降低成本；人工智能技术则能实现高效材料筛选、电堆设计及系统运行，进一步推动VFB的市场普及。

第一作者：张登华 通讯作者：肖伟，陈吉，张希昊 通讯单位：辽宁石油化工大学 DOI：10.1016/j.est.2026.122989 感谢辽宁石油化工大学张登华/肖伟团队校稿！ 工作简介 本文提出一种几何约束策略，精准调控两性纳米片的自组装过程：在薄膜形成过程中设置严格的空间边界，限制填料的自由度并强制其沿基底方向平行排列。由此形成的有序层状微结构能最大化“壁效应”以抑制钒离子渗透，同时通过有序的两性结构单元建立连续的质子传输通道。经优化后的膜材料展现出37.5mS cm⁻¹的高质子导电率和3.07×10⁻⁷cm² min⁻¹的超低钒渗透率。配备该膜的VRFB在200mA cm⁻²下可实现80.13%的EE。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 VRFB中的IEM承担着一项本质上相互矛盾的任务：必须作为对四种钒离子（V²⁺、V³⁺、VO2⁺和VO2⁺）均具有阻隔作用的屏障，以防止半电池之间发生离子交叉传输，从而确保高CE和长期容量保持。同时，必须为H+提供极高的电导率，以最大限度地降低膜的面电阻，并在电池运行期间保持高VE。以Nafion为代表的基准PFSA膜正是此矛盾的典型代表。其结构明确、纳米相分离的亲水区域为质子跃迁提供了理想路径，但通道对钒离子却具有显著的“渗透性”。寄生性的钒渗透会引发一系列不良后果：电容快速衰减、待机状态下严重自放电、电解质浓度逐渐失衡，以及需要频繁进行耗能巨大的再平衡循环。此根本性矛盾常被形象地描述为选择性–导电性曲线中的“折衷上限”，即材料研究领域数十年来始终难以突破的性能极限。 核心内容 图1不同石墨烯的结构和性质 两性离子功能化氧化石墨烯（ZGO）的制备为首先在GO纳米片表面构建了反应性聚多巴胺界面，利用其丰富的儿茶酚基和胺基，通过迈克尔加成或希夫碱反应将两性离子SBMA刷固定于表面。 FTIR光谱证实石墨烯骨架结构（C––C振动峰位于~1620cm⁻¹）在整个反应过程中保持稳定；而1230.4cm⁻¹处出现的S=O伸缩振动则为磺酸基引入提供了初步证据。此外，放大区域揭示了界面相互作用的具体特征：在高频区，对应O–H/N–H伸缩振动的宽吸收带从原始GO中的3418.2cm⁻¹显著移至PGO中的3431.2 cm⁻¹，明显的蓝移表明键合环境发生改变，说明GO表面游离羟基与PDA层中的儿茶酚/胺基团形成了稳定的氢键网络，从而有效“锁定”了界面结构；随后在ZGO光谱中，该吸收带出现轻微红移至3426.4cm⁻¹；此外，在指纹区中，PGO在1578.9 cm⁻¹处出现一个尖锐的新峰，符合PDA中吲哚环N–H弯曲振动信号。在ZGO光谱中，该峰并未消失，而是向更高波数（1584.7 cm⁻¹）移动，表明氮原子的电子环境发生了扰动。 XPS显示PGO的高分辨率N 1s谱图主要由源自PDA涂层的吡啶基和吡咯基氮物种构成；相比之下，ZGO谱图在较高结合能（约402.5eV）处显示出一个新的组分，对应于SBMA侧链上的带正电荷季铵基团（-N+(CH3)3）。同时，S 2p谱图在168.2eV处确认了-SO3−的存在。同时，Zeta电位显示由于胺基引入，表面电荷从GO的强负值（−29.7mV）转变为PGO的较弱负值（−12.3mV），随后又恢复至ZGO的−20.6mV；最终的负向偏移证实了末端磺酸基团的成功接枝，从而重新引入负电荷。 图2不同膜的理化性质 采用几何限制策略制备的膜均具有独特的双层结构。接触角结果显示原始PFSA膜表面呈现较强的疏水性，接触角约为86°；引入GO后，P/GO膜的接触角降至78°，而TL-P/GO膜则进一步降至67°，表明表面亲水性显著提升；而且，TL-P/ZGO膜的接触角最低，仅为61°。吸水能力测试显示TLP/ZGO膜在所有样品中表现出最高的吸水能力。但是，尽管具有最高的吸水率，TL-P/ZGO膜的溶胀率却显著降低至约11%，远低于PFSA膜和P/GO膜。此外，化学耐久性实验可以看出原始PFSA膜在测试后重量损失达4.11%；相比之下，复合膜表现出更强的稳定性，其中TL-P/ZGO膜的重量损失最小，仅为2.91%。 图3渗透性和电化学性质 EIS显示TL-P/ZGO膜展现出最高的质子电导率（37.5mS cm⁻¹），显著优于原始PFSA膜（16.5mS cm⁻¹）和随机分布的P/GO膜（16.8mS cm⁻¹）。同时，原始PFSA膜在渗透侧的钒浓度迅速升高，表明由于离子通道过宽而存在较差的离子选择性。虽然，商用N212膜的扩散速率较再生PFSA膜略慢，但差异主要归因于较大的厚度（50μm），而非内在结构优势。经改性后，P/GO膜通过物理屏障效应在可量化程度上降低了这种渗透速率。然而，TL-P/ZGO膜展现出最优异的屏障性能，其特征是最低的钒渗透速率。 图4电池性能 配备TLP/ZGO膜的电池单元展现出最高的平均放电电压，优于商用N212膜和再生PFSA膜。此外，TL-P/ZGO膜在整个电流密度范围内均保持极高的CE，接近100%的效率充分证明：致密且排列整齐的ZGO阻挡层通过几何限制效应和Donnan排斥效应有效抑制了钒离子渗透。同时，VE在TL-P/ZGO电池中始终表现优异，尤其在高电流密度条件下更为显著。因此，综合CE与VE指标计算得出的TL-P/ZGO的EE在所有测试样品中仍居首位，充分展现了其实现高效储能的能力。 图5长循环性能 采用TL-P/ZGO膜的单电池在恒定200mA cm⁻²下进行了连续充放电循环测试，CE、VE和EE几乎保持稳定且波动可忽略不计，表明该膜结构即使在长期酸性和氧化应力环境下仍能保持其完整性及选择性传输特性。 导致VRFB频繁失效的一个关键因素，是由于水离子和钒离子的失控传输所引起的电解质失衡。此外，虽然配备原始PFSA和P/GO膜的电池因严重的物质交叉而通常出现快速容量衰减，但TL-P/ZGO系统却展现出极高的容量保持率。显著的衰减抑制现象证实了两性离子石墨烯网络的“离子隔离”效应持久有效，能有效将活性物质保留在各自的半电池中，从而延长电池的免维护使用寿命。 核心结论 本文成功开发了一种几何约束策略用于构建钒液流电池的高性能复合膜。通过运用空间边界条件克服填料的热力学随机性，两性纳米片被诱导形成高度有序的层状结构，该结构与钒离子的扩散方向垂直。这种工程化结构有效增强了“壁效应”，在不牺牲质子导电性的前提下显著降低了钒离子的渗透率。因此，离子选择性与传输效率之间的权衡关系得以有效解耦。组装后的电池在不同电流密度条件下均展现出优异的EE和长期稳定性，证实了该方法的实际可行性。  

第一作者：武讨龙 通讯作者：贺高红 通讯单位：大连理工大学 DOI：10.1016/j.est.2026.123176 感谢大连理工大学贺高红团队校稿！ 工作简介 本研究设计了一种负载在W18O49纳米线上的单原子铋催化剂（Bi/W18O49@GF-2）。铋单原子在W18O49晶格中的强配位嵌入不仅调节了局部配位环境并促进了大量高活性氧空位的形成，其重构的局部电子结构还显著提高了HER的能量势垒。这种双重调控机制大幅提升了V3+/V2+氧化还原反应的可逆性，并降低了极化效应。采用Bi/W18O49@GF-2组装的VRFB在300mA cm⁻²下实现了77.6%的优异EE，且在3000次循环中EE衰减速率仅为0.0016%。实验结果与密度泛函理论模拟表明，铋原子可诱导Bi-O-W构型及氧空位的形成，从而构建高效的电荷传输通道、促进钒物种吸附并增强催化位点稳定性。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 在液流电池中，电极同时充当电子传输介质和氧化还原反应的活性位点，直接影响系统的反应动力学、EE及功率密度。尽管石墨毡（GF）成本低廉且具有导电性，但商用石墨毡电极存在比表面积较低（通常<1m²/g）以及对钒物种的氧化还原反应动力学缓慢等问题，严重限制了离子传输和电化学活化。因此，提升石墨毡电极的电催化活性和表面反应性对于实现更高的功率密度和更长的运行稳定性至关重要。 核心内容 1.Bi/W18O49/@GF的合成与结构表征 图1.Bi/W18O49@GF的制备和结构表征 本研究通过简单的单锅溶剂热法在石墨毡上合成了双掺杂W18O49纳米线（Bi/W18O49@GF）。W18O49纳米线具有均匀的直径，并沿石墨毡纤维均匀分布。掺入铋后，Bi/W18O49@GF-1和Bi/W18O49@GF-2样品的催化剂负载量未观察到显著的形态变化或差异。此外，Bi/W18O49纳米线在石墨毡上的原位生长实现了良好的界面接触，显著增强了结构稳定性，有利于实现对钒离子的快速氧化还原动力学。HRTEM成像显示Bi/W18O49@GF-2存在明显的晶格条纹，其面间距为0.38nm，对应单斜晶系W18O49的(010)晶面，表明纳米线优先沿(010)方向生长。此外，HAADF-STEM测试未观察到铋簇、纳米颗粒或沉淀物，证实了铋在W18O49纳米线中实现了原子级均匀分布。同时，EDX元素分布图显示铋、钨和氧均均匀分布于纳米线内部，进一步验证了铋在W18O49结构中的均匀掺入。 图2.结构及成分分析 XRD显示在W18O49样品中观察到位于23.13°和47.34°的两个宽衍射峰，分别对应单斜晶系W18O49的(010)和(020)晶面。随着铋含量增加，Bi/W18O49–4在12.03°处出现了一个额外的尖锐峰，对应于BiOCl(001)的低强度衍射峰，表明过量的铋会导致BiOCl的形成。W18O49@GF的拉曼光谱显示244cm⁻¹和329cm⁻¹处的峰归属于O-W-O键的弯曲振动，而725cm⁻¹和784cm⁻¹处的峰则对应于O-W-O键的伸缩振动。与W18O49@GF相比，Bi/W18O49@GF-x（x=1–3）样品在244cm⁻¹、329cm⁻¹、725cm⁻¹和784cm⁻¹处的峰均出现显著位移，可归因于铋与W18O49之间形成了Bi-O-W相互作用。 XPS显示原始W18O49@GF-2的W 4f谱可拟合为两个双峰，分别对应W⁶⁺（38.25和36.05eV）和W⁵⁺（36.60和35.00 eV），是混合价态钨氧化物骨架的特征。掺入Bi后，所有结合能均向较低值偏移，且W⁵⁺组分的相对强度显著增加。Bi/W18O49中的W⁶⁺4f7/2/4f5/2峰出现在37.70/35.45eV处，而W⁵⁺峰位于36.00/34.35eV。Bi/W18O49/@GF-2的Bi 4f谱图在159.35和164.70eV处呈现两个峰，分别对应Bi 4f7/2和Bi 4f5/2。与金属铋相比，这些峰表明铋原子处于相对较高的氧化态，说明由于向W18O49的电荷转移，铋原子存在电子缺陷，证实了Bi-O-W配位键的形成。对于原始W18O49/@GF-2样品，位于530.90、531.80和533.10 eV的三个峰分别归属于晶格氧（Olatt）、氧空位（Odef）和吸附氧（Oads）。掺杂铋后，这些峰的结合能均降低至530.20、531.55和533.05eV，与Bi-O键的形成及局部化学势的改变一致。 EPR光谱技术显示在g=2.003处观察到明显的信号峰，是被困在氧空位中的未配对电子的特征信号。与W18O49@GF和Bi/W18O49@GF-x（x=1,3–4）相比，Bi/W18O49@GF-2样品显示出显著更高的共振信号强度，证实了氧空位浓度的明显增加。EPR信号强度的增强主要归因于最佳Bi单原子掺入引起的局域电荷重新分布与补偿效应，从根本上稳定了额外的氧空位。高氧空位浓度促进了Bi-O键的形成，使Bi原子处于不饱和配位环境，从而有利于电荷重新分布和活性位点的生成。原子铋激发的配位和氧空位为钒离子的吸附和活化提供了有效的活性中心，增强了对V3+/V2+的催化活性。   2.CF−B与CF−BN的电化学性能测试 图3.不同电极的电化学性能 在10mV s⁻¹扫描速率下记录的CV曲线表明Bi/W18O49/@GF-2具有最高的阳极和阴极峰电流（Ipa=124.7mA，Ipc=−161.1mA）、最小的峰电位差（ΔEp=365.0mV）以及最快的氧化还原起始电位。不同扫描速率下的CV显示与W18O49/@GF相比，Bi/W18O49/@GF-2电极在所有扫描速率下均表现出持续更小的峰电位差，表明Bi/W18O49/@GF-2在氧化和还原过程中均具有优异的氧化还原动力学性能和出色的电催化活性。 EIS测试显示在W18O49@GF中，氧空位为电子跃迁提供了缺陷通道，其Rct值低于GF。对于Bi/W18O49@GF-2，与其他电极相比，它的半圆直径小得多，低频斜率更陡，表明Rct更低（0.18Ω），是因为适量的Bi单原子进一步调控了W18O49的电子结构，产生氧空位并形成Bi-O-W界面。这种环境能够重新分配电荷，从而形成更具导电性的路径和离域化的电子态。   3.全电池测试 图4电池性能 在300mA cm⁻²下，采用Bi/W18O49@GF-2电极组装的VRFB表现出最高的初始放电电压（1.38V）和体积容量（31.50Ah L⁻¹），同时在充放电过程中均呈现最低的过电位，分别降低180.0mV和83.2mV。与稳定的CE相比，VE和EE随铋含量增加呈现火山型变化趋势。对于W18O49@GF而言，W18O49中固有的氧空位为电子跃迁提供了缺陷通道和活性位点，因此相较于GF，其电化学极化效应降低且电化学性能提升。对于Bi/W18O49@GF-2体系，适量单原子铋的引入显著提高了O-def密度和C-dl，并形成了独特的Bi-O-W配位结构，为钒物种的富集吸附和活化提供了高效的电子介质和丰富的定制活性位点，从根本上最大限度地减少了负极反应的Rct。因此，显著加速了V3+/V2+的电荷转移动力学和有效的氧化还原转化，最终大幅提升了整个电池的整体效率。此外，电池在300mA cm⁻²下实现了77.6%的更高EE，在200mA cm⁻²下则达到83.9%。最后，基于Bi/W18O49@gF-2的电池在300mA cm⁻²下进行长达3000次循环测试时，其容量衰减速率极低，仅为每循环0.024%。   4.催化机制的理论研究 图5.催化机制研究 铋原子在W18O49晶格中呈原子级分散分布；在溶剂热反应过程中，铋原子取代了钨位点，夺取晶格中的氧原子并形成具有不饱和配位的Bi–O键；这种结构重排产生了额外的氧空位，并调节了W18O49骨架的电子构型，从而显著提升其氧化还原活性。此外，结构分析表明铋的引入显著增加了局部电子密度并改变了表面结构几何形态，表明铋作为电子介体连接了W–O骨架与吸附的钒物种。 差分电荷密度分布显示在铋原子附近存在强烈的电子重新分布，电荷积聚集中在相邻的钨和氧原子周围，反映了电子从铋向W18O49的转移。投影态密度图进一步表明在费米能级附近，铋的6p轨道、钨的5d轨道和氧的2p轨道之间存在显著的轨道重叠，表明Bi-O-W网络内存在强电子耦合和高效的电荷转移通道。此外，吸附自由能显示与W18O49（-5.20eV）相比，铋掺杂表面表现出更负的吸附能（铋位点为-6.56eV，O1位点为-6.36eV，O2位点为-6.05eV），表明更有利于钒离子的吸附。总体而言，DFT模拟证实受原子级铋启发的Bi-O-W配位结构与氧空位的协同调控促进了电荷离域，并增强了金属–载体相互作用。 核心结论 本研究通过简便的一锅溶剂热策略成功制备了锚定在W18O49纳米线上的铋单原子催化剂，并将其应用于钒氧化还原液流电池中石墨毡电极的改性。原子级分散的铋中心通过稳定的Bi-O-W键与W18O49晶格高度配位，且铋的引入同时诱导了大量氧空位。这种双重调控有效提升了电极的导电性、电荷转移能力及催化活性。此外，重构的局部电子结构显著提高了酸性极化条件下HER的能垒，从而增强了V3+/V2+氧化还原可逆性。得益于原子级铋产生的协同效应，Bi/W18O49@GF-2电极对V3+/V2+表现出卓越的电催化性能，在300mA cm⁻²下实现了77.6%的优异EE和807.1mW cm⁻²的峰值功率密度。此外，电池展现出出色的长期稳定性，在3000次循环中EE衰减速率仅为0.0016%。DFT计算进一步表明铋与W18O49骨架之间的强电子相互作用导致显著的电荷重新分布、富电子的Bi-O-W界面形成、增强钒物种在铋位点的吸附以及催化位点的稳定性，从而加速了氧化还原动力学过程。

第一作者：周泽鑫 通讯作者：孙志强 通讯单位：中南大学 DOI：10.1016/j.est.2026.123054 感谢中南大学孙志强团队校稿！ 工作简介 本文提出一种基于拓扑优化的方法，用于大规模应用中的叉指状流场（TIFF）规模化设计。该方法分别在入口和出口处采用经过拓扑优化的流体分布与收集结构。通过实现均匀的流体分流，TIFF可提升电极内部的流场均匀性并降低水力损耗。实验结果表明在200mA cm⁻²下，TIFF系统的峰值效率可达79.7%；相较于传统扩展型叉指状流场（EIFF），其泵功耗降低32.8%，系统效率与电解液利用率分别提升5.3%和14.6%。此外，该方法显著缩小了大规模与实验室规模VRFB之间的性能差距，在400mAcm⁻²下，TIFF的系统效率仅比实验室低1%。此外，由于该方案无需修改电极流道结构，可直接应用于周期性流道设计，从而拓展其在其他流场类型的规模化应用潜力。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 流场结构对多孔电极内的对流传输具有关键影响，从而决定其电化学性能。传统设计（如由单一集成连接通道组成的蛇形流场SFF，以及以成对进、出口通道为特征的叉指流场IFF）已得到深入研究。在电极中，反应物的传输受肋下对流控制，该对流由相邻通道间的压力差驱动。因此，SFF虽表现出优异的电化学性能，但需付出更高的泵功损耗代价。先前的研究表明，在入口和出口处设置流体分流结构是减少水力损失、提升反应物分布均匀性的有效策略。此外，通过拓扑结构优化可实现最佳的流体分流效果。Gilmore等人成功开发出一种利用该方法实现均匀流场分布的流体分流结构。研究结果表明经过拓扑优化的流体分流结构将各支路间的流量差异从19%降至1%。更重要的是，该方案无需对电极内的流道结构进行改造，且对流道配置的要求极低，因此成为解决当前VRFB规模扩展难题的理想解决方案。 核心内容 1.二维拓扑结构优化结果 图1拓扑迭代过程、最优结果以及不同分支量下的速度分布 经过多轮迭代计算后，拓扑结构在第100次迭代时逐渐成形，并于第150次迭代时达到最终形态。速度分布结果表明：通过在分支入口处构建平滑且不规则的块状结构，拓扑区域实现了各分支间流量的初始平衡；然而这些块状结构无法完全实现流量均等化。因此，在特定分支入口处增设专用固体区域以调控电解液流量。虽然会增加整体流动阻力，但却是实现更均匀流场分布的必要折衷方案。随着n值增大，优化后的几何结构日趋复杂；相比之下，专为收集设计的拓扑区域则通过在分支出口与主出口之间构建更流线型的流道结构来最大限度降低流动阻力。   2.网格独立性检验与模型验证 图2网格独立性检验和模型验证 本研究中，几何结构采用六面体网格进行离散化处理。当网格数量超过1300000时，相对计算误差小于0.1%。为平衡计算精度与成本效益，后续计算均采用1300000网格系统进行。相对容差设定为1×10⁻⁴。通过将数值模拟的充放电曲线与文献中报道的数据进行比较，验证了模型的可靠性：模拟结果偏差低于3%，充分证明了该模型在仿真中的高精度与可靠性。   3.不同分支数量下的性能 图3.不同分支的流场示意图和流动偏转率 研究表明，经过二维拓扑结构优化的分布器在n=3、6和9的配置下能够实现近乎均匀的分支流速。鉴于VRFB电池可在不同流量范围内运行，研究人员进一步通过计算三维TIFF模型中0.625、1.25、2.5、5和10mL min⁻¹ cm⁻²下的流场分布，验证了优化分布器的稳定性。流量对应的入口雷诺数分别为138、275、550、1100和2200，均处于层流状态范围内。   3.1流量特性比较 所有设计方案在设计工况点均表现出高度均匀性，偏差均低于3%。n=3的配置方案性能尤为突出，最大偏差仅为1.1%。随着实际流量偏离设计工况点，流动均匀性逐渐下降：在低流量条件下，边缘分支处的流体流量减少，而流向中心分支的流体逐渐集中；相反，在高流量条件下，中心分支的流体流量减少，导致流体更倾向于向边缘分支分布。在低雷诺数条件下，粘性效应占主导地位，降低了阻塞结构促进流体分裂及增强中心流浓度的效果；而在较高雷诺数条件下，惯性效应日益显著，阻塞结构会将更多电解液导向边缘分支。 总之，n=3的设计方案在整个研究范围内将流动偏差控制在2.6%以内。相比之下，n=6和n=9的结构最大流动偏差分别达到11%和24%，表明随着分支数量增加，该拓扑结构的适用性逐渐降低。因此，n=3设计成为最适用的选择方案。 3.2电化学性能的比较 图5.不同分支的电化学性能 三种设计方案均呈现出独特的条纹状流速分布特征，沿电极垂直方向呈现周期性的高低波动。此外，靠近进出口处的通道具有更短的流路和更低的水力阻力，有助于促进这些区域的流体聚集。随着分支数量增加，进出口附近通道与边缘通道之间的水力阻力差异逐渐减小，从而使电极内部流速分布更加均匀。 此外，随着分支数量的增加，电极内部反应物浓度的均匀性显著提升。这种浓度均匀性的改善有效缓解了浓度极化现象，从而对电化学性能产生积极影响。不过由于在当前特定流速下反应物供应充足，三种设计方案之间的浓度差异仍然较小；预计在较低的特定流速条件下，此效应会更加明显。同时，近乎重合的充放电曲线进一步表明，在所研究的实验条件下，浓度均匀性的提升对电化学性能的影响较为有限。 三种结构配置下综合性能的定量评估结果显示表明随着分支数量增加，各项性能参数均呈现不同程度的提升。其中最显著的改进体现在泵功耗降低方面：当n=9时，其功耗较n=3降低了45%。此外，从n=3到n=9，电极内部电解液平均流速提升了21.1%，表明对流效应得到增强。良好的流体力学性能为电化学反应奠定了基础，而足够高的反应物浓度则有效缓解了流动动力学对系统性能的影响。因此，相较于n=3结构，n=9结构的SE值仅提高0.8%，主要得益于泵功耗的降低。在实际应用中，电池流速并非恒定，因此所选结构需能适应不同的流速变化。其中，n=3结构在雷诺数130–2200范围内能保持各分支间流体分布均匀，具有最广泛的适用性。综上所述，n=3构型具有更高的适用性且对系统效率的影响微乎其微。   4.EIFF与TIFF的性能对比 图6 EIFF与TIFF性能对比 TIFF结构在流道内表现出显著改善的流速分布，有助于电解液携带的反应物在整个电极表面均匀分布，从而促进高效电化学反应的发生；而EIFF结构则使电解液浓度主要集中在电极中心区域，并在框选区域内存在明显的低流速区，表明单入口流道结构在扩大规模时难以在整个电极区域实现充分的反应物浓度分布，因此必须采用分流结构。此外，电极内部的流速分布均显示框选区域内存在持续存在的低流速区。虽然TIFF结构的分支入口附近也存在局部高流速区，但整体分布均匀性较EIFF结构明显提升。 同时，在框选区域内清晰呈现了一个明显的低浓度区域。相比之下，TIFF的结构确保了通过该区域的足够电解质灌注，从而提高了反应物浓度并有效地提高了浓度均匀性。根据能斯特方程，较高的反应物浓度可降低电池的充电电压平台，同时提高其放电电压平台。因此，TIFF技术能改善电极内的电解质分布，优化反应物均匀性，提升充放电电压平台性能，从而最终提升电池整体性能。 图7电化学性能对比 随着流速增加，两种结构的泵功耗均显著上升，且在较高比流量下增长速率更为陡峭。当流速为10mL min⁻¹ cm⁻²时，TIFF的泵功耗仅为57W，较EIFF的107W功耗降低了47%。随着电极面积增大，泵功耗在VRFB输出功率中的占比显著升高。同时，TIFF较低的泵功耗显著提升了电池性能。 此外，TIFF的泵功率损耗比EIFF低32.8%，而电极内部电解液的平均流速提高了14.1%，表明TIFF具有更低的流动阻力和更强的电极处对流强度，有助于反应物的供给与产物的释放。而且，TIFF中的反应物浓度比EIFF高17.7%，反映出其充放电平台更为优化；同时，TIFF的反应物均匀性较EIFF提升13.4%，表明反应过程中浓度极化现象有所减弱。 综上所述，通过提升流体动力学性能，TIFF不仅降低了泵功耗损失，还能促进更充分、更均匀的电化学反应，从而改善系统整体性能。因此，其系统效率比EIFF高5.3%，其中0.6%归因于泵功率损失的减少，4.7%归因于电化学性能的提高。此外，电解液利用率提高了14.6%，表明放电过程更为完全。   5.TIFF与IFF之间的性能比较 图8IFF与TIFF之间的性能比较   尽管TIFF相较于EIFF表现出更优性能，但充放电电压平台仍低于IFF，表明TIFF的电化学性能尚未达到与实验室规模配置相当的水平。 VE结果显示两种方法的VE均随比流率升高和电流密度降低而增加，在3.5mL min⁻¹cm⁻²和200mA cm⁻²下达到峰值。然而，在相同实验条件下，TIFF的VE始终低于IFF。同时，提高比流率可增强反应物均匀性，从而缓解浓差极化现象。但在200mA cm⁻²下，随着比流率的增加，TIFF的VE提升幅度逐渐减弱，两者之间的性能差距也随之扩大，表明当比流率增加时，TIFF中反应物均匀性的提升作用逐渐减弱，此时反应动力学对电池性能的影响更为显著。 此外，尽管在相同条件下TIFF的SE仍低于IFF，但两种配置的性能变化趋势存在显著差异：IFF的SE随比流率增加而上升，表明最佳比流率很可能超过2.5mL

第一作者：肖伟 通讯作者：张登华 通讯单位：辽宁石油化工大学 DOI：10.1016/j.ces.2026.124380 感谢辽宁石油化工大学张登华/肖伟团队校稿！ 工作简介 本研究提出一种“通道重构”策略，将原位聚合的聚苯胺包覆氧化石墨烯填料嵌入聚合物基体中。与物理混合不同，导电聚苯胺外壳兼具双重界面工程功能：通过强效的酸碱相互作用消除非选择性界面空隙，同时连接孤立的离子簇以促进通过格罗特胡斯机制实现的快速质子传输；此外，填料表面电荷反转形成的强烈唐南排斥屏障可有效排斥带正电的钒离子。基于此，组装后的单电池在100mA cm⁻²下达到86.33%的EE，在200mA cm⁻²时仍保持81.22%的EE，显著优于商用N212基准材料。长期测试表明该膜在800次循环中仍保持出色的容量保持率，充分验证了该复合膜的结构完整性和化学稳定性。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 目前，以商用Nafion系列为代表的全氟磺酸（PFSA）膜主导着VRFB市场。其优势源于高质子传导性以及对强氧化性钒电解液具有优异的化学稳定性。PFSA的卓越导电性能源自独特的微相分离结构：在疏水性聚四氟乙烯骨架中，亲水性磺酸基团聚集成直径约4–5纳米的互连水通道。然而，这种结构在导电性与选择性之间存在根本且持续的权衡；水合钒离子的斯托克斯半径与水合氢离子相当，因此钒离子可随浓度梯度轻松渗透这些通道，会导致严重自放电、电解液失衡及不可逆容量衰减，最终阻碍了钒液流电池的广泛应用。 核心内容 图2膜的形貌及性质 原始PFSA膜呈现典型的致密结构，而填充未改性氧化石墨烯（GO）的膜横截面则可见大量白色颗粒状聚集体及明显的微孔结构。这些缺陷源于无机GO片层与有机PFSA基质之间的热力学不相容性及弱界面粘附力，从而导致相分离。相比之下，P@GO-Pani膜横截面看起来明显更光滑、更致密，没有可见的空隙或大的团聚体，表明聚苯胺壳层可作为有效的相容剂。 采用应力–应变曲线显示与P@GO和原始PFSA膜相比，P@GO-PANI复合材料表现出优异的机械强度。并且在所有样品中，P@GO-Pani膜具有最高的拉伸模量和拉伸强度。相反，加入未改性的氧化石墨烯会导致机械性能下降，归因于填料聚集及界面缺陷。相比之下，P@GOPANI膜优异的机械性能则能实现更高效的应力传递。 虽然所有膜材料均保持适合质子传输的相近吸水水平，但溶胀行为存在显著差异：P@GO膜表现出较高的溶胀比，很可能源于水合过程中界面空隙的扩张；而P@GO-Pani膜在测试样品中溶胀比最低，证实其“重构通道”具有结构稳定性。降解测试显示原始PFSA膜和P@GO膜分别表现出较高的重量损失（分别为4.65%和3.24%），表明易受自由基侵蚀；而P@GO-Pani膜则展现出最佳稳定性，重量损失最低仅为1.65%。 图2电导率和选择性 原始PFSA膜表现出与商业标准品一致的基础导电性；而直接掺入未改性的GO则导致面电阻显著增加。尽管GO片层边缘具有质子传导功能基团，但溶胀且绝缘的基面破坏了聚合物基质内离子簇的连续性，从而形成迂回路径和孤立区域，阻碍了质子的有效迁移。而P@GO-PANI膜克服了这一限制，在所有测试样品中实现了最高的质子电导率。此外，P@GO-Pani膜展现出1.571×105S min cm-3的优异离子选择性，远超商用N212膜（4.37×104S min cm-3)）及近期报道的其他复合膜。 图3电池性能 P@GO-Pani膜在所有测试样品中展现出最高的CE，在高电流密度下仍保持超过98%的数值。相比之下，原始PFSA膜和N212膜的效率较低，表明存在显著的钒渗漏现象。同时，VE数据表明P@ GOPANI膜的表现优于对照组，归因于降低的面电阻和重构的质子传输通道有效抑制了欧姆极化效应。因此，P@GO-Pani膜在100mA cm-2下实现86.33%的优异EE，在200mA cm-2时仍保持81.22%，高于商用N212材料。 图4长循环性能 在200mA cm-2下，P@GO-PANI膜在800次循环后保持49.33%的容量保持率。相比之下，P@GO膜在同一使用周期内仅为27.86%。商用N212膜在第540次循环时达到51.83%，但此后无法持续运行，充分证明了该混合结构体系具有卓越的结构完整性及高效的离子阻隔能力。此外，循环使用后的膜谱与新鲜样品几乎完全一致：关键特征峰均保持良好状态，未出现显著位移或强度衰减。 核心结论 本文通过将聚苯胺包封的氧化石墨烯填料引入PFSA基质中，成功制备出高性能纳米复合膜。该设计巧妙利用原位聚合的聚苯胺壳层同时作为相容剂和质子促进剂，有效解决了导电性与选择性之间的权衡问题。这种杂化填料通过氢键网络修复界面缺陷，并借助其共轭骨架重建连续的质子传输通道；同时，填料表面的正电荷产生显著的Donnan排斥效应，抑制钒离子渗透。实验结果证实优化后的膜具有优异的氧化稳定性，Fenton试剂的重量损失最小，为1.65%。组装后的单个电池单元实现了86.33%的峰值能量效率，并在800次充放电循环中展现出卓越的耐久性且未出现显著性能衰减。