June 6, 2026

第一作者：刘书畅 通讯作者：许伟聪&陈瑞华 通讯单位：天津大学先进内燃动力全国重点实验室 成果简介   在各类低品位余热回收技术中，热电化学循环（TEC）展现出卓越的热电转换性能，并能通过液流反应器实现连续热电转换。尽管活性材料已取得重大进展，但针对TEC关键充放电过程中的质量传递与电化学反应行为机制研究仍显不足，尤其在非等温充放电过程方面存在局限，这制约了性能的进一步提升。本研究建立三维多物理耦合模型，模拟非等温充放电过程中活性物质的流动与质量传递特性，分析通道尺寸、温度、电解液流速及电流密度对多孔电极内活性物质分布的影响。结果表明，充放电过程中的温差导致液流反应器内活性物质分布发生显著变化，这为不同温度下反应器流道的设计与选择提供了指导。在优化流道设计与操作条件下，当充放电温度分别为40℃和10℃时，TEC展现出1.44 W/m2的最大功率密度及10.2%的最大相对卡诺效率。本研究有望为TEC电化学液流反应器的优化设计提供创新性见解。   相关成果以“3D Simulation and Performance Analysis of the Non-isothermal Charge/Discharge Processes in Thermo-electrochemical Cycle”为题发表在Journal of Power Sources期刊上。 感谢天津大学赵力团队（第一作者：刘书畅）供稿！ 本文所用液流反应器和钒电解液 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景   基于电化学反应的新型热电化学循环（Thermo-electrochemical cycle, TEC）及装置被提出，并在低温热电转换研究领域展现出较好的应用潜力。传统的热电化学循环装置是间歇性的，在时间上分离了热和电的过程，因此功率输出是不连续的，并且不适合用于收集常见的温度长期稳定的低温热源热能。为了实现连续的电能输出，可将两组液流反应器与冷热源换热器组成连续型热电化学循环系统。尽管在开发先进活性材料方面投入了大量努力，但鲜有研究专注于TEC中关键组件——流动反应器的优化设计，而该组件对性能同样具有显著影响。不同于液流电池，热电化学循环中的液流反应器需要在不同的温度下运行，温度的差异导致了反应器内部的压降、流速和浓度等物理场分布的不一致，因此，需要深入探究反应过程中多物理场随温度的协同变化规律，明确液流反应器温度适配性设计原则。   本研究使用钒电解液为例进行模拟与实验，建立了热电化学循环液流反应器的三维仿真模型，通过改变流动通道的宽度和温度，分析了多孔电极内流体流速的大小和均匀性的变化规律。通过改变流道宽度、进口流量、温度和电流密度，并对计算结果进行可视化分析，作者得到了扩散作用、对流作用和反应剧烈程度对电极内活性物质的分布均匀性的影响。结合以上的结果与分析，得到了不同参数对反应器极化特性的影响规律。随后，通过分析反应器的充放电结果发现了反应面积的重要性，找到适合TEC系统的结构与运行状态。有望为TEC电化学反应器在流动通道层面的优化提供新的见解。 图1：图形摘要   核心内容 1.三维多物理场耦合模型构建 图2:液流反应器三维模型 a)反应器结构示意图；b)I型流道，流道宽度8.8mm；c)II型流道，流道宽度3.78mm；d)III型流道，流道宽度2.32mm；e)IV型流道，流道宽度1.67mm；f)V型流道，流道宽度1mm   本文基于SOLIDWORKS软件对液流反应器进行三维建模，并将模型导入COMSOL Multiphysics软件进行后续多物理场仿真。图2（a）所示为反应器结构示意图，包含正负极的流道、电极和离子交换膜，反应器长L和宽W都为80mm，流道厚度Hc为1mm，电极厚度H为3mm，膜厚度Hm为0.05mm。设计了五种不同尺寸的流道结构，其中进出口处的流道较宽，不仅可以为流体的进出提供缓冲空间，保证管路的安全连接，而且可以方便中间流道的设计，如图2（b）~（f）所示，其中，图2（f）所示流道尺寸与本实验室已有的装置尺寸一致，这主要是为了方便验证模型的有效性。   2.流动特性   如图3（a）所示为不同尺寸流道的液流反应器中正负极侧压降随温度的变化计算结果。随着流道的延长，流体流动截面积逐渐减小，流道内流体的流速加快，反应器进出口压降增加；并且随着温度的升高，正负极两侧进出口压降都减小，但负极侧的压降略高于正极侧，且温度越高，正负极压降差越大。   图3（c）所示为电极内流体的相对速度分布，即某一位置的速度与电极内平均速度之比，用于表征流体在电极中流动的均匀性。结果显示，采用III型、IV型和V型流道时，除了流道进出口处由于流道宽度较大导致流速较小外，电极内流体流速分布相对均匀，有利于降低电化学反应极化损失。 图3: 流动压降及物性变化结果 a)流动压降计算结果；b)正负极电解液动力粘度和密度随温度变化情况；c)电极内相对速度分布图   3.传质特性   […]

第一作者：邓征坤 通讯作者：何忠义&郭雷 通讯单位：华东交通大学&铜仁学院 DOI: 10.1039/d6ta02451c 感谢论文第一作者邓征坤（华东交通大学与铜仁学院联合培养研究生）供稿！ 工作简介   本研究针对中性锌锰液流电池中 Mn3+歧化、MnO2不可控沉积及正极界面反应可逆性不足等问题，提出采用乙酰脲（Ace）作为多功能正极添加剂的调控策略。Ace 分子中的羰基和氨基可与Mn2+发生强配位作用，重构锰离子溶剂化结构，调节电解液氢键网络，并优化正极/电解液界面化学环境，从而抑制不可逆“死锰”生成，促进 MnO2在碳毡表面的均匀、稳定和可逆沉积。结果表明，加入 0.1 M Ace 后，中性锌锰液流电池的循环寿命由80圈延长至380圈，库仑效率由83%提升至98%，能量效率由74%提高至86%。此外，在高电流密度和高面容量运行条件下，Ace 调控体系仍表现出优异的电化学可逆性、较低的极化和良好的循环稳定性。该研究为开发高安全、低成本、长寿命的中性锌锰液流电池提供了有效的分子调控策略，也为锰基水系储能体系的工程化应用提供了重要参考。该研究由邓征坤同学在铜仁学院联合培养期间完成，得到了铜仁市科技局项目“锌锰液流电池关键材料与性能研究”及铜仁市碳酸锰矿资源综合利用实验室等科技创新平台的大力支持。   《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》   研究背景   中性锌锰液流电池因具有安全性高、资源丰富、成本较低和环境友好等优势，被认为是面向大规模储能的潜在技术路线。然而，该体系仍面临Mn3+歧化、副产“死锰”形成以及MnO2沉积不均匀等问题，容易导致活性物质损失、界面极化加剧和容量快速衰减，限制电池的循环寿命与能量效率。因此，如何从电解液溶剂化结构和正极界面化学两个层面协同调控Mn2+/MnO2氧化还原过程，是提升中性锌锰液流电池可逆性和稳定性的关键。   核心内容 1. Ace对锰氧化还原动力学与界面电荷传递的协同优化   乙酰脲分子具有典型的Lewis碱特征，其羰基氧和酰胺氮上的孤对电子可与Mn2+发生配位作用。静电势分布结果表明，Ace 分子中羰基和氨基区域具有明显极性，既可作为氢键受体/供体参与水系氢键网络重构，又可通过配位作用稳定锰物种。循环伏安测试显示，引入 Ace 后，MnSO4电解液中Mn2+/MnO2氧化还原峰间距明显减小，表明电极反应极化降低、可逆性增强；同时，氧化峰电流由2.08 mA提高至2.36 mA，还原峰负向电流由−1.69 mA增大至−1.95 mA，说明锰氧化还原反应的表观动力学得到改善。   进一步的不同扫速CV 测试表明，氧化/还原峰电流与扫速平方根呈良好线性关系，说明Ace 的加入并未改变Mn2+/MnO2反应以扩散控制为主的基本特征，而是通过稳定有效锰物种、减少不可逆MnO2沉积损失，提高活性物质利用率和界面反应效率。EIS 结果显示，Ace 体系高频区半圆直径明显减小，表明界面电荷转移阻抗降低，电极/电解液界面处的电荷传递过程更加顺畅，从而进一步促进锰氧化还原反应动力学。 图1. Ace对锰氧化还原动力学和界面电荷传递的影响   2. 全电池长循环与倍率性能显著提升   在全电池层面，Ace 对锰物种溶剂化结构和正极界面化学的调控作用能够有效转化为中性锌锰液流电池的性能提升。研究首先对 Ace 添加浓度进行优化，结果表明，0.10 M Ace 体系表现出最佳综合性能：较低浓度对锰物种和界面的稳定作用有限，而过高浓度则可能因传质阻力增加或界面吸附过度而影响反应动力学。因此，0.10 M Ace 被确定为后续电池性能测试的最优添加量。   在10−60 mA cm−2电流密度范围内，含Ace 电池的能量效率在各电流密度下均优于空白组，尤其在50和60 mA cm−2高倍率条件下优势更加明显，说明Ace 能够有效缓解高电流密度下的极化损失。在20 mA cm−2、10 mAh cm−2条件下，Ace 调控体系可稳定运行约380圈，而空白体系约80圈后快速衰减；同时，Ace 体系在长循环过程中保持接近100%的库仑效率和较稳定的能量效率，表明其具有更强的界面反应可逆性和循环稳定性。经过350圈循环后，Ace 体系仍保持清晰稳定的充放电平台，放电平台与初始循环基本一致，说明正极Mn2+/MnO2反应在长循环过程中仍具有良好的可逆性。在40 mA cm−2的高电流密度下，Ace体系在15和20 mAh cm−2面容量条件下仍能维持较高库仑效率和相对稳定的能量效率，显示出良好的高功率与高容量适应性。与已报道的中性锌锰液流电池体系相比，该工作在循环寿命、累计容量和效率保持方面均表现出较强竞争力，其中累计容量达到3765.8 mAh，进一步证明了Ace 添加剂策略在长寿命锰基液流电池中的应用潜力。