June 4, 2026

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 […]

电解液离子在离子交换膜中的传输机理 【基本原理】 在全钒液流电池中，离子交换膜的主要功能是阻隔不同价态的钒离子，传导质子、硫酸根等其他离子。离子交换膜的离子选择透过性体现出不同价态钒离子与其他离子透过离子交换膜的相对速度。在全钒液流电池中，由于质子为最主要的载流子，且与不同价态钒离子的半径差别较大，常作为选择透过的对象。钒离子与质子的差异如下： ①水合钒离子比水合质子在尺寸上更大，可以通过多孔离子传导膜从离子尺寸上实现筛分传导。 ②全钒液流电池中的四种水合钒离子价态分别为+2、+3、+4、+5价，比质子(+1价)所带的电荷多，可以从电荷上进行筛分。 上述两种筛分原理分别称为孔径筛分效应和Donnan排斥效应。表1给出了各离子的扩散系数。其中V2+透过Nafion离子交换膜的扩散系数最大，四种钒离子扩散系数的顺序为V2+> V4+> V5+> V3+。 表1 全钒液流电池电解液中四种钒离子与质子的状态 离子交换膜的Donnan排斥效应原理如下：如果离子交换膜与电解液直接接触，会发生相对离子的离子交换传输(相对离子也称可交换离子，是指与固定离子电荷相反的离子)，并伴随着非相对离子的渗入。当溶液离子与膜内离子达到平衡时，离子在膜内外的化学势相等，此时非相对离子在膜内的浓度远小于相对离子的浓度。因此，与膜中固定离子带有同种电荷的离子会受到排斥而难以进入并通过离子交换膜，这种效应称为Donnan排斥效应(图1)。固定电荷浓度越高，其Donnan排斥效应越明显。非相对离子的电荷数越高，其排斥效应越明显。 图1  离子交换膜内的Donnan 排斥效应 在全钒液流电池实际应用中，Donaan排斥效应适用于阴离子交换膜，如德国Fumatech公司生产的VX-20膜、三甲胺接枝的聚砜膜等。该类阴离子交换膜内部荷正电的氨基基团可以有效阻挡同样荷正电的钒离子通过。然而，目前普遍用于全钒液流电池的全氟磺酸膜，如Nafion阳离子交换膜则不能利用Donnan排斥效应阻隔钒离子，而孔径筛分效应是其离子选择透过性的主要机理。孔径筛分的机理是在较大的孔(离子簇)内，离子通过自由扩散或Grotthuss跳跃的方式透过隔膜，当孔半径较小时，离子与孔壁之间产生传输的阻力增大。由于钒离子的三维尺寸远大于质子，在孔内的传输阻力较大，难以通过孔道。为了深入研究电解液在不同离子交换膜中的传输规律，需要考察不同离子传输机理的离子交换膜中，电解液中离子的传输行为。 【参考文献】 1.Pawar C M, Sreenath S, Bhatt B, et al. Proton conducting zeolite composite membrane boosts the performance of vanadium redox flow battery[J]. Solid State Ionics, 2024, 404: 116417. 2.Singh A K, Sharma P, Singh K, et al. Improved performance of

第一作者：刘治坤 通讯作者：康鹏教授 通讯单位：天津大学 成果简介 全铁氧化还原液流电池（aqueous all-iron redox flow batteries，AIRFBs）具有良好的安全性与成本优势，是未来大规模储能的重要技术之一。然而，负极的非均匀Fe沉积、析氢反应以及腐蚀反应限制了AIRFBs的性能与耐久性。本研究发现将非离子型表面活性剂Brij 56加入电解液后可在Fe表面自组装形成液晶界面。这种具有定向结构的界面层不仅能够促进负极界面处Fe²⁺的脱溶剂化过程进而抑制H₂O介导的副反应，还可利用其各向异性特征调控Fe²⁺离子传输，作为软模板诱导产生均匀的Fe沉积。因此，液晶界面层显著提高了AIRFB负极的可逆性：在20 mA cm⁻²下，电池可实现230次循环（时长300 h），并达到99.4%的库仑效率（CE）和74.5%的能量效率（EE）。此外，在60 mA cm⁻²的高电流密度下，具有液晶界面层的AIRFB仍保持98.2%的CE，并输出26 mAh cm⁻²的高容量。 相关成果以“Self-Assembled Liquid Crystal Interphase Enabling Long-Life All-Iron Redox Flow Batteries”为题发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。 感谢天津大学康鹏团队（第一作者：刘治坤）供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统（YTH-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   背景分析   水系氧化还原液流电池（redox flow batteries，RFBs）具有安全性高、系统模块化以及功率与容量解耦所带来的易扩展性，因而是电网储能领域的重要技术之一。此外，与静态电池相比，RFB中电解液的连续流动能够有效缓解电池极化，缓解规则温度波动。全铁氧化还原液流电池（AIRFBs）在正、负极电解液中均采用Fe基活性物质，因而具有成本低、资源丰富、环境友好以及交叉污染易管控等优势。AIRFB的负极采用Fe²⁺/Fe⁰的沉积/剥离反应电对，正极采用Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原反应电对（图1a），理论电池电压可达1.21 V。同时，两电子转移过程与Fe的高密度赋予该体系较高的理论容量（960 mAh g⁻¹）。   然而，Fe负极可逆性不足严重制约了AIRFBs的长期稳定运行，主要表现为以下问题（图1b）：（i）酸性负极电解液（pH < 3）加速Fe腐蚀，导致库仑效率（CE）下降；（ii）Fe²⁺/Fe⁰的标准电极电位（相对于标准氢电极，SHE，为−0.44 V）低于析氢反应（HER）的电位，因此在Fe沉积过程中常伴随HER发生；（iii）竞争性HER持续产生OH⁻，导致氢氧化铁生成，可能堵塞碳毡电极或离子交换膜的孔道；（iv）非均匀Fe沉积会加剧枝晶生长，而枝晶在流动电解液中易发生脱落，最终造成容量显著损失。本研究通过向电解液中添加低浓度的非离子型表面活性剂Brij 56，将液晶界面引入到AIRFBs体系。该类型表面活性剂由疏水烷基链和亲水头基组成，是一类溶致液晶分子（图1c）。研究发现，Brij 56分子能够在Fe表面自组装形成稳定的层状液晶界面（图1d）。该界面层可作为Fe沉积模板，促进Fe2+离子脱溶剂化、抑制副反应并优化Fe²⁺离子传输环境，进而获得平整而致密的Fe沉积层。 图1  （a）采用Fe²⁺/Fe⁰负极与Fe²⁺/Fe³⁺正极的全铁氧化还原液流电池示意图；（b）原始电解液中碳毡电极上的Fe沉积行为；（c）Brij 56表面活性剂（C₁₆H₃₃-(OCH₂CH₂)₁₀OH）的分子结构；（d）BLC电解液中的沉积行为，放大区域显示界面处定向排列的表面活性剂分子形成层状液晶结构。