June 12, 2026

第一作者：辛亚鲁 通讯作者：高崴 通讯单位：东南大学 成果简介 碱性锌–铁氰化物液流电池（AZFFBs）因低成本、高安全性和快速动力学而受到关注，但锌阳极在沉积过程中易发生粉化并形成电化学不可逆的“死锌”，导致活性锌损失、容量不可逆衰减，并严重限制电池的循环寿命。本研究，东南大学高崴教授团队从锌沉积的微观晶体生长过程出发，揭示锌粉化与“死锌”形成的关键起因在于不可逆晶芽的持续生长。基于这一认识，研究引入多配位电解液添加剂泛醇（PAN），协同调控Zn(OH)42⁻/Zn2⁺/Zn0在电极界面的传输与反应行为，从而有效抑制锌粉化。在Zn||K4[Fe(CN)6]全电池中，该策略使循环稳定性提升约15倍，同时库仑效率、能量效率和电压效率分别提高2.1%、3.1%和1.2%，验证了多配位电解液添加剂策略在提升碱性锌–铁氰化物液流电池循环稳定性和能量利用效率方面的有效性。 相关成果以“High Stability Alkaline Zinc-Ferricyanide Flow Battery with Multi-Coordination Electrolyte Additive for Suppressing Zinc Pulverization”为题发表在Small期刊上。 感谢东南大学高崴教授团队（第一作者：辛亚鲁）供稿！ 本文所用 螺栓型液流单电池测试夹具 （LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 随着太阳能、风能等可再生能源在全球电力结构中的占比不断提高，其固有的间歇性和波动性对电网的稳定运行带来了严峻挑战。为缓解这一问题，电网级储能技术，尤其是氧化还原液流电池，因其安全性高、成本低且容量与功率可独立设计，被认为是关键解决方案之一。在众多体系中，碱性锌–铁氰化物液流电池（AZFFBs）因成本优势明显、容量大且氧化还原动力学快而受到广泛关注。然而，其实际应用仍受到锌阳极界面不稳定性的严重制约，主要表现为锌枝晶生长、副反应以及“死锌”的形成。当金属锌与电极表面失去电接触后，将无法继续参与储能反应，从而导致不可逆容量损失、循环效率下降并引发电池过早失效。此外，流动电解液中游离的“死锌”颗粒还可能堵塞流道、破坏流体结构并加速性能衰退。尽管上述问题后果严重，但“死锌”形成的根本机理及其有效抑制策略仍缺乏系统认识。 在强碱性溶液中，Zn2+会与OH⁻配位形成Zn(OH)42⁻。在接近电极表面后，锌沉积过程可分为四个连续步骤：Zn(OH)42⁻向电极表面扩散、Zn2+从Zn(OH)42⁻中解离并被还原为锌原子（Zn0）、Zn0在电极表面的自扩散，以及Zn⁰聚集形成晶核。在Zn0聚集过程中，电极表面局部Zn0的富集会诱导晶芽形成。当晶芽尺寸超过临界值后，其将转变为不可逆晶芽，无法再解离为单个Zn0并参与后续有序结晶，从而阻碍正常晶体生长。随着不可逆晶芽数量和尺寸的不断增加，最终会引发宏观锌粉化。值得注意的是，这些晶芽还会产生尖端效应，导致Zn2+在电极表面分布更加不均，进一步加剧结晶无序化。尽管已有电解液优化、界面涂层和电极结构调控等策略可在一定程度上改善Zn2+分布并促进有序结晶，但其并未从根本上解决不可逆晶芽形成及其导致锌粉化的问题。因此，亟需一种既能均匀Zn2+传输、又能抑制不可逆晶芽生成并引导有序锌沉积的综合性解决方案。 基于上述认识，本研究，东南大学高崴教授团队提出了一种多配位电解液添加剂策略，通过同时调控Zn(OH)42⁻/Zn2⁺/Zn0的传输行为、抑制不可逆晶芽形成并引导空间有序的锌沉积，从而降低锌粉化并提升AZFFBs的稳定性。作为验证，本研究选用具有丰富极性官能团的生物相容性分子泛醇（Panthenol，PAN）作为电解液添加剂。实验与理论计算表明，PAN通过三重作用机制发挥调控作用：（1）与Zn(OH)42⁻配位以均匀离子向电极表面的迁移；（2）抑制尖端效应以优化锌沉积行为；（3）通过对Zn0的吸附促进可逆晶芽的形成与原子化。基于该策略，Zn||Zn对称电池的循环寿命提升约2倍；进一步地，Zn||K4[Fe(CN)6]全电池的循环稳定性提升约15倍，其库仑效率、能量效率和电压效率分别提高2.1%、3.1%和1.2%。   核心内容 1. 多配位电解液添加剂对Zn(OH)42⁻/Zn2⁺/Zn0的作用 图1: 多配位电解液添加剂的设计思路及其作用机制。 图1阐述了碱性锌–铁氰化物液流电池中锌粉化与“死锌”形成的机理，并提出了相应的多配位电解液添加剂设计思路。首先，图1a示意了锌在强碱性电解液中的沉积过程：电解液中的Zn2+主要以Zn(OH)42⁻的形式向电极表面迁移，经过解离和还原生成Zn0，随后在电极表面自扩散并聚集形成晶芽。当晶芽生长超过临界尺寸后，会转化为不可逆晶芽，从而导致锌沉积结构逐渐粉化，并最终形成与电极表面失去电接触的“死锌”。在此基础上，图1b提出了用于抑制锌粉化的多配位电解液添加剂设计思路。该示意图表明，多配位添加剂能够同时与Zn(OH)42⁻、Zn2+以及Zn0发生相互作用，从而在锌沉积过程中协同调控离子传输行为和晶体生长过程。图1c-e通过FTIR光谱表征与静电式分析，展示了PAN在强碱环境中的分解行为以及分子表面静电式分布。结果表明，PAN在碱性电解液中易发生分解，其分解产物仍保留多个极性官能团和负电势区域，为其与锌物种发生多配位作用提供了结构基础。进一步地，图1f的吸附能理论计算结果显示，PAN及其分解产物与金属锌及石墨基底之间具有较强的吸附作用。此外，图1g-j通过分子动力学模拟和径向分布函数分析，揭示了PAN及其分解产物对Zn(OH)42⁻溶剂化结构的调控作用。图1k对电解液中O–H伸缩振动区域的分峰分析进一步表明，引入PAN后电解液中的氢键网络结构发生变化。   2. 添加剂对阳极电解液物理与电化学性能的影响 图2：多配位电解液添加剂对电解液性质与锌沉积界面行为的调控作用 图2展示了多配位电解液添加剂PAN对阳极电解液性质以及锌沉积界面行为的影响。首先，图2a、b通过HSQC谱对比了PAN在NaOH溶液以及含Zn(OH)42⁻的阳极电解液中的化学位移特征，结果表明PAN与Zn(OH)42⁻之间存在相互作用，为其参与锌物种配位及传输调控提供了直接证据。随后，图2c-f利用XPS技术针对裸石墨毡以及经PAN处理后的石墨毡的表面官能团进行了对比分析。结果显示，PAN及其分解产物能够吸附于电极表面，从而改变锌沉积界面的化学环境。在电化学行为方面，图2g-i给出了不同PAN浓度下的Tafel曲线和LSV测试结果，表明PAN的引入能够降低腐蚀电流并有效抑制析氢反应。进一步地，图2j-n结合CV以及EIS分析，系统评估了PAN对Zn(OH)42⁻传输行为和界面反应动力学的影响，结果表明在合适浓度下，PAN能够同时改善离子传输和界面反应过程。最后，图2o对比了不同PAN浓度条件下Zn||K4[Fe(CN)6]全电池的库仑效率、能量效率和电压效率，综合确定了0.5 wt% PAN为本体系中电解液添加剂的最优浓度。   3. 添加剂对锌沉积行为的调控以及对Zn||Zn对称电池性能强化 图3：锌沉积过程的可视化及Zn||Zn对称电池的电化学循环性能 图3系统展示了多配位电解液添加剂对锌沉积行为的调控作用，以及其对Zn||Zn对称电池的循环性能影响。首先，图3a-d通过COMSOL模拟对比了在有无添加剂条件下Zn(OH)42⁻和Zn2+在电极表面的通量分布情况。结果表明，引入添加剂后，电极表面的离子通量分布更加均匀，有助于削弱局部离子富集和尖端效应。随后，图3e、f通过原位可视化实验对比了锌在不同电解液条件下的沉积过程。可以观察到，在未添加PAN的情况下，锌沉积过程中易出现局部快速生长和不均匀沉积；而引入PAN后，锌沉积过程更加均匀稳定。进一步地，图3g、h的SEM图像展示了不同条件下石墨毡电极表面的锌沉积形貌差异。结果显示，PAN的引入有助于形成更加致密、有序的锌沉积结构，从形貌层面验证了其对锌沉积行为的调控作用。在电化学性能方面，图3i、j展示了Zn||Zn对称电池在有无添加剂条件下的循环性能对比结果。结果表明，引入添加剂后，对称电池的电压曲线更加稳定，循环稳定性得到显著改善。   4. Zn||K4[Fe(CN)6]全电池循环性能评估 图4：Zn||K4[Fe(CN)6]全电池的电化学循环性能 图4评估了多配位电解液添加剂对Zn||K4[Fe(CN)6]全电池循环稳定性及倍率性能的影响。首先，图4a-d对比了在有无添加剂条件下，全电池在不同循环阶段的充放电电压曲线。结果表明，引入添加剂后，电池在长循环过程中电压平台更加稳定，极化程度得到有效缓解。随后，图4e、f给出了全电池在循环过程中的库仑效率、能量效率、电压效率以及放电容量变化情况。可以看出，含添加剂体系在长时循环过程中保持了更高且更稳定的效率和容量，体现出显著提升的循环稳定性。图 4g-j显示，在面积容量为20 mAh cm⁻2、电流密度 20-60 mA cm⁻2的倍率测试中，含PAN的全电池前42次循环的性能稳定。相比之下，不含PAN的全电池在第40次循环时由于“死锌”累积，导致电压极化明显增强并导致放电容量骤降。   结论展望 […]

第一作者：甘振乐 通讯作者：宋纯利、储本发、张中标 通讯单位：安徽理工大学 & 北京碧水源膜科技有限公司 成果简介 高性能、低成本离子交换膜（IEMs）的进步对于实现可持续能源未来和确保安全供水至关重要。本研究报道了通过预磺化单体与芴基成分共聚合成磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜及其表征。该合成策略能够精确调控磺化度并提高膜的坚固性。所获得的膜展现出优异的性能组合，包括适度的吸水率、有限的溶胀性、高离子电导率，以及出色的机械和热稳定性。m-SPEEK-FDH膜被系统地应用于两种不同技术：锌-铁氧化还原液流电池（AZIFB）和电渗析（ED）。在AZIFB应用中，0.6-SPEEK-FDH膜表现出优异的性能。即使在400 mA cm⁻²的高电流密度下，其能量效率仍超过79.4%。同时，它表现出优异的长期循环稳定性，在200 mA cm⁻²的条件下，经过18天、超过950次循环的测试，能量效率始终保持在84.4%以上。研究表明，使用经处理的0.6-SPEEK-FDH的电渗析（ED）也表现出高脱盐效率（高达97%）和低能耗（<4.5 kWh·kg⁻¹）。引入具有可调节磺化度的刚性芴单元，为定制化阳离子交换膜（CEMs）提供了一种可行方法，在锌-铁液流电池和电渗析工艺中均显示出巨大潜力。 相关成果以“Rational molecular tuning of SPEEK membranes for high-performance zinc-iron flow batteries and electrodialysis”为题发表在Separation and Purification Technology期刊上。 感谢安徽理工大学张中标团队供稿！ 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   研究背景 全球对可持续能源和清洁水资源日益增长的需求，是21世纪最严峻的两大挑战之一。太阳能和风能等可变可再生能源的广泛应用，对电网稳定性构成了重大挑战，这促使人们需要高容量且可靠的储能技术，以确保电力供需的持续平衡。与此同时，解决全球淡水短缺问题需要节能的海水淡化和水净化技术。有趣的是，这两个看似不同的技术领域聚焦于一个共同的关键组件：先进的膜材料。离子交换膜（IEMs）是两项重要技术中的关键组件：用于储能的氧化还原液流电池（RFBs）和用于水处理的电渗析（ED）。在氧化还原液流电池中，离子交换膜促进选择性离子传输，同时防止电解质交叉混合，从而维持电池的效率和容量。同样，电渗析系统的性能在很大程度上取决于离子交换膜的特性，使其成为影响工艺效率和分离效果的核心。因此，推进高性能、低成本的膜技术，有望为可持续能源的未来和安全的水资源供应做出独特贡献，推动这些重要领域的协同发展。 在储能和海水淡化技术中，阴离子交换膜（AEMs）和阳离子交换膜（CEMs）是两种关键的离子交换膜。其中，阳离子交换膜（CEMs），尤其是全氟磺酸（PFSA）膜——最著名的例子是Nafion膜，因其优异的质子传导性和出色的化学稳定性，被广泛视为该领域的基准材料。然而，Nafion膜的广泛应用受到几个关键限制的阻碍，例如成本高昂、离子选择性中等以及对交叉效应的高度敏感性，这些最终导致液流电池系统出现严重的容量衰减。同样，在电渗析（ED）中，其低选择性降低了分离效率，而电渗析系统中常用的非均相膜则表现出高电阻和高能耗。因此，开发兼具低成本、高离子选择性、良好离子传导性和优异化学稳定性的新型阳离子交换膜，对于推动储能和电渗析技术的发展至关重要。 已有几类聚合物被研究用作阳离子交换膜的基质，包括聚醚醚酮（PEEK）、聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）和聚酰亚胺（PI）。其中，聚醚醚酮（PEEK）因其优异的机械强度、热稳定性和耐化学性，已成为一种极具前景的基础聚合物。然而，传统的磺化聚醚醚酮合成方法通常依赖于后磺化法，这种方法往往导致磺化度控制不佳，并且由于使用强磺化剂，可能会导致聚合物主链降解。 基于此，本研究通过将预磺化单体与芴基成分共聚，建立聚合物骨架，制成了高性能磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜。利用预磺化单体实现对磺化程度的精确控制，且引入具有卓越化学和热稳定性的芴基，进一步增强了膜的耐久性。最终形成的SPEEK膜实现了水分吸收、膨胀行为、离子电导性和离子选择性之间的最佳平衡。这项工作明确建立了分子结构、材料性质与功能性能之间的相关性。此外，本研究证明SPEEK膜在两种高要求的应用中能够实现高性能：ZIRFB和ED。研究结果凸显了其作为高性能阳离子交换膜的有前景能力，适用于多种用途。   核心内容 1.m-SPEEK-FDH的合成与结构 SDFDPK和m-SPEEK-FDH是按照参考文献中概述的方法制备的。研究团队通过溶液流延法制备了m-SPEEK-FDH膜。具体而   言，将聚合物溶解在NMP中以获得均匀溶液，然后将其流延到玻璃基板上，并在80°C下干燥12小时。所得薄膜的厚度约为50±5μm。 在DMSO中对0.5-SPEEK-FDH、0.6-SPEEK-FDH和0.7-SPEEK-FDH进行了¹H核磁共振光谱分析，确认了预期的化学结构。SEC分析表明，所有聚合物均具有高分子量，表明成功合成了具有预期结构的磺化聚醚醚酮。   2.m-SPEEK-FDH的热稳定性、机械性能和形态   图2. 干燥状态下测得的m-SPEEK-FDH的拉伸强度和断裂伸长率（a）；m-SPEEK-FDH的热重分析（TGA）曲线（b）；m-SPEEK-FDH的红外光谱（c）；m-SPEEK-FDH的X射线衍射图谱（d）。 干燥状态下测得的m-SPEEK-FDH的拉伸强度和断裂伸长率表明，所有膜均具有良好的机械性能。数值范围为3.51%-4.55%。随着磺化度的增加，膜的应力逐渐降低。这可能是由于引入了额外的磺酸基团，这些基团为聚合物结构带来了柔性链段。这些柔性基团增大了刚性芴基聚醚醚酮主链内的链间距，从而减弱了分子间相互作用。同时，也观察到应变有轻微增加。对于湿膜，m-SPEEK-FDH的拉伸强度下降，而断裂伸长率显著提高。总体而言，其机械性能足以满足液流电池和电渗析等应用的需求。 热重分析（TGA）曲线显示，所有m-SPEEK-FDH均呈现出两阶段分解现象。第一阶段（100-450°C）归因于磺酸基团的热分解，第二阶段（集中在450°C左右）归因于聚合物主链的降解。0.5-SPEEK-FDH、0.6-SPEEK-FDH和0.7-SPEEK-FDH膜的热分解温度（Td）分别记录为503.3°C、498.8°C和485.6°C，显示出极佳的热稳定性，非常适合实际应用。 傅里叶变换红外光谱在1235 cm⁻¹和1080 cm⁻¹处观察到的峰分别归属于O=S=O的不对称和对称伸缩振动，而在1025 cm⁻¹处的峰对应于S=O的伸缩振动。在所有X射线衍射图谱中观察到的宽衍射峰表明m-SPEEK-FDH膜具有无定形性质。根据布拉格定律，层间距（d间距）随着磺化度的增加而减小（0.5-SPEEK-FDH：4.29 Å，0.6-SPEEK-FDH：4.22 Å，0.7-SPEEK-FDH：4.09

第一作者：田心瑶 通讯作者：卢春喜&侯栓弟 通讯单位：中国石油大学（北京）&中石化（大连）石油化工研究院 成果简介 铁铬液流电池（ICFBs）因低成本和丰富的原材料而成为大规模储能的理想选择，但商业化受到Cr3+/Cr2+氧化还原动力学缓慢的阻碍。本文，中国石油大学卢春喜团队&中石化（大连）石油化工研究院通过热退火锡–对苯二甲酸酯（Sn-BDC）金属有机框架前驱体，开发了一种异质结改性的石墨毡电极（Sn/SnOx@GF）。所得电极在石墨纤维表面均匀分散了Sn/SnOx纳米催化剂颗粒，提供了丰富的活性位点，并产生了一个与Fe3+/Fe2+相当的快速动力学速率常数（k0=1.015×10−4cm s−1）。使用Sn/SnOx@GF电极的ICFB在160 mA cm−2下实现了80.5%的能量效率，远超原始石墨毡。意外的电化学性能得益于Sn/SnO异质界面的存在，其中金属Sn增强了Cr3+的吸附，而SnO加速了电子转移。异质界面处独特的电子协同作用增强了费米能级附近SnO的s和p轨道占据，明显提高了电子转移能力并加速了Cr3+/Cr2+氧化还原动力学。此外，改性后的电极在100次循环中表现出优异的循环稳定性。 相关成果以“Synergistic catalysis of Sn/SnOxheterojunctions on graphite felt for enhanced chromium kinetics in iron–chromium flow batteries”为题发表Materials Today Chemistry期刊上。 感谢第一作者田心瑶校稿！ 本文所用 螺栓型液流单电池测试夹具 （LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 石墨毡（GF）因其低成本、优异的耐腐蚀性和宽泛的电化学稳定性窗口，是ICFBs中常用的电极材料。然而，原始GF表面化学惰性且粗糙度不足，导致比表面积低、活性位点稀少及质量传输特性差，缺陷严重制约了电池性能。为克服这些局限，已开发出多种电催化改性策略。热处理通过生成不饱和碳结构，在GF表面引入含氮、磷或氧的功能基团，该过程可同时提升亲水性和电化学活性。蚀刻技术使用硼酸、硅酸或高锰酸钾等试剂在电极表面形成微孔结构，从而增加其比表面积和活性位点密度；金属催化剂负载是另一种普遍采用的方法，其中金属颗粒（如Pb、Au、Bi和In）通过电沉积锚定在电极上。其中，p型金属如Pb和Bi被最频繁地使用。其他方法，包括杂原子掺杂和构建催化活性多孔结构，也能提供所需的电化学性能。此外，使用p型金属基金属有机框架（MOFs）如Sn或In基MOFs来改性GF电极在ICFBs中尚未被探索。此空白为开发同时实现高活性位点密度和结构稳健性的先进电极架构提供了有前景的机会。MOFs是由金属节点和有机连接体组成的结晶多孔材料，能够精确控制纳米颗粒的成核和空间限制，从而形成超细催化纳米结构。MOFs可调孔隙率和化学功能使其成为电极材料的理想前驱体。热解后，MOFs可转化为金属氧化物/碳复合材料，在循环过程中表现出优异的稳定性。尽管MOF衍生材料已被广泛研究作为其他液流电池系统的电极，例如全钒、锌空和锌溴，但它们在ICFBs中的应用仍未被探索。 在此，中国石油大学卢春喜团队&中石化（大连）石油化工研究院介绍了一种异质结改性电极（Sn/SnOx@GF）。其对Cr3+/Cr2+的优异活性源于两个协同特性：(i)热退火使Sn/SnOx纳米颗粒在石墨纤维表面均匀分散并牢固锚定，提供了足够的活性位点；（ii）异质结构催化界面同时增强了反应物吸附并加速了电子转移。Sn/SnOx@GF电极在氧化还原反应中表现出增强的电化学活性和可逆性，并在高电流密度下的ICFB测试中展现出高效率和稳定性。   核心内容 1.结构和理化性质 如图1a所示，通过典型水热法制备的Sn-BDC（XRD，图1b）首先均匀分散于乙醇中，所得分散液随后沉积于石墨毡上，随后在800°C下进行高温退火，诱导Sn-BDC分解并伴随原子重排，最终形成Sn/SnOx@GF复合材料。通过XRD（图1c）证实了Sn/SnOx@GF电极中Sn和SnOx复合物的形成，显示出与Sn和SnOx对应的明显衍射峰。XPS分析（图1d）进一步证实了金属态Sn0（484.7和493.1 eV）与Sn2+（486.4和494.8 eV）的共存，验证了Sn和SnOx的形成。结合O 1s XPS分析结果，Sn/SnOx@GF中氧空位（Ov）数量的减少可能归因于石墨毡表面被锡基化合物覆盖后表面氧物种主导类型的改变，其中Sn-O键占据了石墨毡的缺陷位点。在In2O3包覆碳布的文献中也观察到了类似的氧空位数量减少现象。 图1.a)Sn/SnOx@GF制备工艺示意图；b)Sn-BDC XRD图；c)Sn/SnOx@GF XRD图；d)Sn/SnOx@GF（Sn3d）XPS谱 此结果表明，锡基材料能够有效改性石墨毡的表面，且所得复合材料的理化性质更可能由Sn/SnOx的固有特性主导，而非原始石墨毡的缺陷特性。Sn/SnOx@GF的表面形貌（图2a和b）显示了密集分布的纳米颗粒均匀改性。这些细小颗粒提供了丰富的暴露活性位点，有利于氧化还原反应。元素分布图（图2c–f）进一步表明，C、O和Sn在Sn/SnOx@GF中均匀分布。 图2.a、b)Sn/SnOx@GF的SEM图像；c)Sn/SnOx@GF的EDS元素分布图；d-f)C、O和Sn的相应元素分布图 如图3所示，TEM图像显示均匀分散的纳米颗粒（4–10 nm）（图3a），其晶格条纹清晰分辨为0.29 nm（Sn（200））和0.30 nm（SnO（101））（图3b），同时在Sn和SnO相之间形成了原子级锐利的界面。这些结构特征表明存在界面接触，促进了电荷转移。总之，Sn/SnOx活性中心的均匀分布确保了催化位点的充分利用，从而促进了电子转移并加速了氧化还原动力学。 图3.a)Sn/SnOx@GF的TEM图像及相应的粒径分布（插图）；b)Sn/SnOx@GF的HRTEM图像   2.电化学性能分析 图4a显示了三种不同电极在Fe/Cr混合电解质中于-0.9

第一作者：田宇 通讯作者：刘宏波 通讯单位：西南石油大学 成果简介 钒氧化还原液流电池（VRFB）凭借高安全性、长循环寿命及优异的环境特性，在大规模储能应用领域展现出巨大潜力。然而，VRFB在高电流密度下面临浓差极化和电化学动力学滞后等挑战，限制了其能量效率和功率密度。为突破这些瓶颈，西南石油大学刘宏波团队提出了一种创新的双极板（BPP）设计方案。通过在BPP上集成微磁体，磁流体动力学（MHD）效应明显提升了电解液的质量传递效率。本研究采用多物理场耦合数值模拟方法，系统探究了微磁体负载BPP结构对离子传输和电化学性能的影响。实验结果表明，这种设计优化了电解液流动分布，改善了离子传输路径，有效抑制了浓差极化现象，并明显提升了电极的电化学反应效率，从而大幅提高电池性能。 相关成果以“Micromagnet-loaded bipolar plate design for vanadium redox flow batteries: Improved mass transport and electrochemical performance”为题发表Journal of Electroanalytical Chemistry期刊上。 本文所用 螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 在氧化还原液流电池领域，Tang等人提出了一种创新方案，通过使用永磁体对钒基电解液溶液进行预磁化处理。即使移除外部磁场后，钒离子的扩散容量仍提升了20%以上。与此同时，电荷转移电阻和浓差极化电阻均有所降低，而交换电流密度和离子电导率则明显提高。此外，Zhang等人将磁场直接引入VRFB系统，观察到电极内部平均过电位降低、膜附近离子分布更加均匀、输出电压提升，以及充放电循环期间能量转换效率增强。 既往研究表明，磁场通过MHD效应影响电解液行为，改变带电离子的运动轨迹并优化流体分布，从而增强传质效率并降低极化损失。基于此，本研究提出一种集成微磁体的BPP创新设计，旨在通过磁场调控来调节电解液传输行为及反应路径。为评估该设计方案的可行性与有效性，作者团队开发了一个综合多物理场数值模型，整合了电磁场、流体动力学及电化学反应。通过该模型，系统研究了电流密度、电解液流速与流场构型的协同效应，并阐明了磁场对电解液流动动力学、传质特性及电池整体性能的影响。该研究结果为高性能VRFB的设计提供了新的见解，并为推动其商业化发展向更高功率密度和更优运行效率方向提供重要参考。   核心内容 本文系统分析了微磁体负载的BPPs对VRFBs性能的影响。研究重点考察了微磁体作用下多孔电极中过电位分布、活性离子浓度（V2+/VO2+）以及电解液流动行为的变化规律。此外，还深入探究了微磁体负载BPPs在不同流场构型下对活性离子传质的促进作用及其对电化学性能的提升效果。基于多物理场耦合模拟结果，作者团队建立了整合电化学反应、物质传输与电池整体性能的综合评估框架，从而能够定量评估微磁体负载BPPs在提升VRFB性能方面的潜在优势。 1.模型验证 该模型在COMSOL Multiphysics 6.1中使用稳态求解器求解，相对容差为1×10−5。为验证所提模型的准确性，将模拟的极化曲线与实验测量结果进行对比。考虑到电池测试期间操作条件的良好可控性，模拟在以下条件下进行：电解液流速为35 ml/min，初始钒离子浓度为1600 mol/m3，电流密度范围为0−400 mA/cm2。 如图1（a-b）所示，采用初始BPPs和负载微磁体的BPPs组装单电池，并进行极化曲线实验。该单电池主要由高导电性石墨毡电极（面积20 mm×20 mm，厚度4 mm）、化学稳定的氟橡胶垫片、质子交换膜、镀金集流体及电池固定装置组成。通过在石墨板表面加工流道形成流场，并在背面预留微磁体安装孔（直径1.8mm，深度8mm），将集流体、电极、膜和流场板依次堆叠并保持紧密接触，保证各部件之间良好的电连接，同时使电荷转移路径最小化。 图1(c)显示模拟值与实验结果高度吻合，充分验证了所建模型的精确性与可靠性。结果表明，该模型能真实反映电池的实际运行状态，并展现出强大的预测能力。因此，模型可有效用于阐明VRFBs中磁场诱导性能提升的机制，为后续性能预测和结构优化提供了理论基础。 图1 (a)组装完成的单电池照片；(b)微磁体负载BPP及流场照片；(c)模型预测与实验结果对比   2.关键模型参数的敏感性分析 如图2（a-b）所示，随着残余磁通密度的增加，整体过电位明显降低，同时电池电压相应升高，表明磁场诱导的对流在缓解浓差极化方面起主导作用。相比之下，图2（c-d）的结果显示，钒离子扩散系数的变化仅引起过电位和电池电压的相对较小变化，表明扩散增强虽有助于性能提升，但在所研究的运行条件下并未主导电化学响应。同样地，交换电流密度的变化主要影响活化过电位（图2（e-f）），其中负极电极的灵敏度略高于正极电极。然而，由此产生的电池电压变化仅限于几毫伏，表明对电池整体性能的影响较为次要。 总体而言，敏感性分析表明模型预测不受单一参数控制，且在合理参数范围内相对性能趋势保持稳定。结果证实模型准确捕捉了物理量级的正确顺序，并为磁场增强质量输运的结论提供了强有力的证据，证明稳健可靠。 图2.关键模型参数对VRFB过电势和电池电压的敏感性分析：（a）和（b）剩余磁通密度的影响；（c）和（d）钒离子扩散系数的影响；（e）和（f）负极和正极交换电流密度的影响   3.电池电压与过电位 在数值模拟中，电池的荷电状态（SOC）固定为0.8。电解液流速从60至240

第一作者：夏宇恒&汪涛&杨果&刘怿泓 通讯作者：丁煜&任鑫坤&崔铭锦 通讯单位：南京大学&上海理工大学 成果简介 南京大学联合上海理工大学团队，展示了一种基于水溶性辅酶的自充电有机液流电池（SCFB），以解决固态反应动力学的局限性。黄素是一水溶性辅酶，在细胞代谢的核心过程中，凭借异咯嗪环介导的快速双电子转移特性，展现出令人惊叹的电子传递效率。例如酶促赖氨酸去甲基化反应：还原态FADH2能被氧气氧化并再生为FAD，不仅实现了电子的高效传递，更完成了辅酶的循环复用。这为新型氧化还原化学体系的设计提供了绝佳的天然参照。这启示作者将黄素类物质引入液流电池体系，打破固态电极固–气反应的动力学桎梏。基于这一思路，作者研究开发了一种受生物启发的超快全气候自充电液流电池，通过将黄素衍生物（FMN-Na）作为正极电解液活性物质，结合液流电池的开式结构与空气输注工艺，并将自然界中广泛存在的锌用作负极，设计了自充电液流电池。基于气–液反应的快速动力学，自充电液流电池实现了高充电速率，在10分钟内超快达到总容量的90%。而在碱性条件下，生成的过氧化氢会迅速分解而不会损害电池，这使得电池稳定运行300次循环而没有明显衰减。即使在-20 °C的寒冷环境下，该电池也能稳定运行超过200次循环。即使是50℃的高温下，电池也能正常运行。通过原位表征研究了自充电机制背后的氧化还原化学，揭示了以黄素分子中异咯嗪为反应活性中心的，且反应焓变有利于反应发生的内球电子转移过程，是实现自充电电池实现超快反应动力学的关键因素。在概念验证演示中，电池成功驱动了小风扇，展示了构建可持续能源系统的潜在途径。 相关成果以“Bioinspired Ultrafast All-Climate Self-Charging Flow Battery”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。 感谢南京大学丁煜团队供稿！ 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   研究背景 可充电电池是储能核心技术之一，但是传统的电池以来电网等基础设施进行充电，在偏远或恶劣环境下应用受限。为解决这一问题，研究人员开发了自充电电池，这是极具潜力的全天候能源供应系统。自充电电池的出现为解决这一痛点提供了新路径。这类新型能源系统借助空气中的氧气氧化放电后的阴极物种，无需外部电力输入即可实现电荷再生，其内在的自我补给机制显著提升了在偏远地区、应急场景等特殊环境中的部署能力，有望实现全天候持续供电，因此成为储能领域的研究热点。而当前主流产品多采用固态电极，依赖放电后的正极与空气中氧气的自发反应实现充电，固–气界面反应缓慢，充电需数小时，限制了其应用。而自然界中广泛存在的高效电子转移机制，为突破这一技术瓶颈提供了灵感源泉。黄素（如黄素腺嘌呤二核苷酸FAD、黄素单核苷酸 FMN）作为生物体内水溶性辅酶，在细胞代谢过程中展现出优异的电子转移效率，例如在酶促赖氨酸去甲基化反应中，还原态的FADH2可被分子氧快速氧化再生为 FAD，在实现高效电子传递的同时完成辅因子的循环利用，其基于异咯嗪环的快速双电子转移特性，为设计新型氧化还原化学体系提供了天然蓝本。受此启发，作者开发出了一种超快自充电液流电池。而气–液反应的快速反应动力学，突破了固态–气态的反应瓶颈。   核心内容 图1：自充电液流电池（SCFB）的设计原理 作为生物体内不可或缺的水溶性辅酶，黄素家族（包括黄素腺嘌呤二核苷酸FAD、黄素单核苷酸FMN等）在细胞代谢的核心过程中，凭借异咯嗪环介导的快速双电子转移特性，展现出令人惊叹的电子传递效率——酶促赖氨酸去甲基化反应便是典型例证：还原态FADH2能被分子氧迅速氧化并再生为FAD，不仅实现了电子的高效传递，更完成了辅因子的循环复用，这一自然演化的精妙机制，为新型氧化还原化学体系的设计提供了绝佳的天然参照。受这一生物酶介导的胞外电子转移机制启发，作者意识到，若能将黄素类物质引入液流电池体系，利用其在液相中与氧气的快速反应动力学，有望打破固态电极固-气反应的动力学桎梏。基于这一思路，本研究开发了一种受生物启发的超快全气候自充电液流电池，通过将黄素衍生物（FMN-Na）作为正极电解液活性物质，结合液流电池的开式结构与空气输注工艺，既规避了传统固态自充电电池复杂的拆卸步骤，又借助黄素的本征反应优势实现了充电速率的跨越式提升。此外，自然界中广泛存在的锌被用作负极，这符合绿色化学原则。而反应的电位显示，被还原的FMN-Na能被O2再次氧化，从而实现正极氧化还原活性物质的再生。 图2：电化学表征 在氩气氛围下，FMN-Na 表现出良好的电化学可逆性；通入氧气后，还原态 FMN³⁻与溶解氧快速反应，再生氧化态，电流响应增强。其在强碱性条件下 redox 可逆性优异，溶解度高（溶解度可达0.702M，理论体积比容量达 37.6 Ah L⁻¹）。而LSV测试表明，FMN-Na具有较高的扩散系数（5.72×10⁻6 cm2s⁻1）和反应速率常数（1.27 × 10−3 cm s−1），这使得FMN-Na成为优秀的液流电池氧化还原活性物质。 图3：SCFB的自充电机制 向放电结束后的正极电解液中通入氧气，开路电压逐渐上升，这证实了自充电的存在。通过UV-Vis证实，异咯嗪环是唯一的氧化还原活性中心，还原态FMN-Na与O2反应，经自由基历程生成FMN-Na和过氧化氢，且自由能普表示过氧化氢在碱性条件下快速分解，无积累，多种表征手段验证了这一事实。充放电过程中，FMN-Na 的结构转变具有高度可逆性，确保了电池的稳定运行。 图4：电池性能测试 在5-120 mA cm⁻2的电流密度范围内，电池库仑效率接近 100%，即使在 120 mA cm⁻2的高电流密度下仍能保留低电流密度下70%的容量。室温下经过 300 次循环后，容量保持率达 97%，主要容量衰减源于锌阳极的溶解和枝晶生长。添加5 M尿素作为防冻剂后，电池在 – 20℃下经过200次循环，容量保持率超过90%。在50℃下经过100次循环，容量保持率为 75%，高温下容量衰减源于FMN-Na的分解。高浓度（0.5 M）FMN-Na 作为阴极电解液时，电池可稳定循环150次，仅存在轻微的活性物质交叉问题。 图5：自充电性能测试 该电池实现了创纪录的超快自充电速率，10分钟内即可达到 90% 的理论容量，远超其他现有自充电电池（通常需数小时）。经过100次充放电循环，无明显容量衰减，放电电压曲线重叠度高，曲线之间的些许差别是由于自充电操作过程中的人工操作误差导致。此外，在应用方面，单个FMN-Na

第一作者：韩明君 通讯作者：张晨阳&李洁 通讯单位：中南大学 成果简介 多酸（POMs）在下一代高能量密度氧化还原液流电池（RFBs）中展现出卓越的多电子转移能力，但其可操作的充电状态（SoC）通常受限于质子饥饿条件下普遍存在的高还原亚稳态而低于33.3%水平。该研究通过为[P2W18O62]6⁻（{P2W18}）团簇建立质子耦合电子转移（PCET）模型，揭示了氧位点的质子化可通过协同质子–电子转移（CPET）稳定还原的钨位点。Marcus理论与DFT计算相结合，量化了区域选择性CPET过程的热力学驱动力与动力学能垒，而通过原位pH监测与原位拉曼光谱进一步证实了这一质子耦合的可逆氧化还原机制。基于这些发现，该研究设计了高质子活性H6{P2W18}负极电解液，与VOSO4基正极电解液配对组成HPVB液流电池，并采用直接和逐步充放电策略，从而实现了H6{P2W18}负极电解液稳定的全SoC充放电循环。HPVB电池取得了前所未有的性能：在0.3M H6{P2W18}负极电解液66.7% SoC下循环600次（超过1020小时）无明显容量衰减，期间保持95.04 Ah L⁻1的放电容量；在0.3M H6{P2W18}负极电解液100% SoC下放电容量达141.75 Ah L⁻1；在0.5M H6{P2W18}负极电解液100% SoC下，放电容量创纪录地达到236.03 Ah L⁻1，能量密度达239.02 Wh L⁻1。该研究通过将CPET机理见解转化为可操作的电解质设计，释放了{P2W18}的稳定可逆全SoC，为通往高能量密度POM基氧化还原液流电池建立了一条普适性路径。 相关成果以“Unlocking Full State-of-Charge of Polyoxometalate for High-Energy-Density Redox Flow Batteries via Concerted Proton-Electron Transfer”为题发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。 感谢中南大学李洁&张晨阳教授（第一作者：韩明君）供稿！ 本文所用 快拆型液流单电池测试系统（KCB-CZ） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 全球向可再生能源的加速转型预计将在2050年前供应近90%的电力，这已成为应对气候变化同时满足日益增长的能源需求的基石。然而，太阳能/风能发电的间歇性和波动性特性要求储能技术实现突破性创新，以确保电网可靠性并最大化可再生能源的利用率。在各种储能技术中，氧化还原液流电池（RFBs）因其本征安全性、通过解耦功率/容量配置实现的可扩展性、长循环寿命以及毫秒级响应特性，已成为大规模应用中最有前景的解决方案之一。 虽然商业部署的钒（VRFBs）、铁铬（Fe-Cr RFBs）和锌溴（Zn-Br RFBs）氧化还原液流电池日趋成熟，但科学界正积极开创下一代氧化还原活性电解质的分子水平工程。传统的单/双电子（n = 1~2）氧化还原对主导了超过95%的现有体系，主要包括过渡金属、卤素、多硫化物和有机化合物。然而，单/双电子转移反应所导致的低能量密度（15~50 Wh/L）限制了其进一步发展的潜力。因此，探索稳定且可逆的多电子（n ≥ 3）转移氧化还原活性对已成为RFBs创新的关键研究前沿。 多酸（POMs），特别是Keggin型（[XM12O40]ⁿ⁻）和Dawson型（[X2M18O62]ⁿ⁻）团簇，已成为多电子氧化还原化学中的领跑者，利用其独特的团簇级电子离域特性，通过Mⱽᴵ/Mⱽ氧化还原过程呈现超过12e⁻的转移能力。然而，研究表明，多酸的实际电解质利用率（此处用荷电状态SoC表示）仍被限制在低于33.3%的水平。低SoC的瓶颈普遍存在于各类多酸负极电解液中。2013年，Anderson等人首次将原子取代的[SiV3W9O40]7⁻（{SiV3W9}）用于对称RFB电解质，实现了{SiV3W9}负极电解液33.3%的SoC（相对于9e⁻理论容量的3e⁻转移）。随后，Liu等人于2016年开创性地使用H₆{CoW₁₂O₄₀}（{CoW₁₂}）团簇设计了对称氧化还原液流电池，实现了{CoW12}负极电解液33.3%SoC（4e⁻转移相对于12e⁻理论容量）。Chen等人于2018年首次在{P2W18}||Br RFB中采用Li6[P2W18O62]（Li6{P2W18}）作为负极电解液，建立了使用高还原态{P2W18}团簇进行能量存储的概念验证。然而，RFB的循环仅限于20个循环，在Li6{P2W18}负极电解液约88.9%的SoC下进行（放电容量和库仑效率相对于18e⁻理论容量换算），且其潜在的氧化还原化学机制仍未得到充分阐明。最近，Ai等人于2022年报道了在低温（-20 ℃）下使用H6[P2W18O62]（H6{P2W18}）团簇作为负极电解液（33.3%SoC，6e⁻转移相对于18e⁻理论容量）实现高功率密度氧化还原液流电池的进展，突出了其在宽温度范围内的稳健性和实用性。此外，[PW12O40]3⁻({PW12}，SoC分别为33.3%和41.7%，4e⁻和5e⁻转移分别相对于12e⁻理论容量）、[PV14O42]9⁻（{PV14}，28.5%SoC，4e⁻转移相对于14e⁻理论容量）、以及[SiW12O40]4⁻和[BW12O40]5⁻（{SiW12}和{BW12}，16.7%SoC，2e⁻转移相对于12e⁻理论容量）也证实了这一点。因此，解锁多酸的全SoC以突破电解液低利用率这一普遍瓶颈，对于实现高能量密度RFBs将是一个关键的里程碑。 示意图1. 传统POM电解质体系与本工作之间的本质对比。

第一作者：朱孜璇 通讯作者：王彪 通讯单位：东华大学 成果简介 离子选择性膜是钒氧化还原液流电池（VRFB）的关键材料，但如何在保持高质子导电性的同时实现离子选择性仍面临重大挑战。本研究，东华大学王彪团队通过非溶剂诱导相分离技术，制备了具有内部指状孔道和表面微米级孔道的聚醚酰亚胺（PEI）多孔膜。随后，作者团队将聚乙烯亚胺（PI）和木质素磺酸钠（SL）逐层组装在PEI膜上，构建出双功能选择性层。最终形成的膜表面具有亚纳米级孔道（4.0-8.2Å），通过尺寸筛分效应增强钒离子排斥，而内部指状孔道则促进质子快速传输。此外，SL层富含氮的结构通过Donnan排斥效应进一步提升了离子选择性。表面SL层的磺酸基团作为质子传输位点，可促进质子快速传导。这种双离子筛分与双质子传导的设计，通过孔道结构与化学结构的协同作用，实现了选择性与导电性的平衡。所设计的亚纳米孔膜组装的VRFB展现出高能效（在80 mA cm-2下85.67%）和长期稳定性（在200 mA cm-2下可循环400小时以上）。 相关成果以“Chemically synergistic subnanometer-pore membrane with high ion selectivity and conductivity for flow battery”为题发表在Journal of Membrane Science期刊上。 感谢东华大学王彪团队（第一作者：朱孜璇）校稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统（LSB-1/YTH-1） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 图1.具有双重离子筛分和双重质子传导通道的亚纳米孔膜实现高性能VRFB：(a)钒氧化还原液流电池示意图；(b)PEI-（PI/SL）膜中质子传导与钒离子阻隔的示意图：(i)质子沿指状孔道快速传输；（ii）离子通过亚纳米孔筛分；（iii）富氮结构对钒离子的Donnan排斥；（iv）质子通过氢键网络跃迁 木质素磺酸钠（SL）源自天然木质素，是一种丰富且可持续的资源。其丰富的官能团（-SO3H、-OH）为构建氢键网络提供了额外的活性位点，促进质子快速传输通道。此外，由于其在强酸中表现出优异的化学稳定性，SL还被开发为铅酸电池添加剂，以提高循环寿命和安全性。利用SL独特的化学稳定性和丰富的官能团，本文设计了SL在多孔膜表面的原位组装。SL层在底层的大孔PEI载体上形成致密的亚纳米级多孔涂层，引入化学协同效应以增强离子选择性。具体而言，作者团队充分利用NIPS技术，设计了PEI多孔膜，其横截面呈现指状孔结构，表面则具有微米级孔结构。连续的指状孔道提供了畅通的质子传输路径。基于此，进一步采用SL逐层组装技术优化表面孔径。可控的SL吸附与组装使得改性多孔膜的表面孔径可精调至亚纳米级别，从而实现对钒离子的有效阻隔。这种化学协同作用的亚纳米级孔隙设计策略具有四大优势：i)多孔膜的横截面保持连续的指状孔隙结构，这种低畸变的直通通道有利于质子快速迁移（图1bi）；ii)膜表面的亚纳米级孔隙（4.0–8.2Å）具有高效的离子筛分效应，明显增强了对钒离子的排斥作用（图1b ii）；iii)SL的组装过程在膜表面引入大量富氮结构，这种正电荷通过Donnan排斥效应增强了亚纳米级孔隙对钒离子的阻碍作用（图1b iii）；iv)表面SL层的磺酸基团提供了额外的活性位点，促进氢键网络的形成，从而加速质子跳跃传输（图1b iv）。双离子筛分与双质子传导机制的协同效应有效优化了离子选择性与质子传导性之间的平衡。因此，VRFB在80mA/cm²下能量效率（EE）达到85.67%。此外，该系统在500次循环中展现出超过400小时的长期稳定性，即使在200mA/cm²的电流密度下，仍能保持71.00%的EE。   核心内容 1.亚纳米级孔径化学协同膜的设计 多孔膜的孔径是直接影响其性能的关键参数。合理设计和精确控制孔径对于优化膜性能至关重要。为满足高导电性和高离子选择性的双重要求，作者团队采用NIPS策略设计了一种具有分级孔结构的PEI多孔膜。其横截面呈现指状贯穿孔结构，而这些孔两端的膜表面则分布着密集的微米级孔隙。指状贯穿孔为质子在多孔膜中的快速传输提供了通道。为进一步提升离子选择性，作者团队通过逐层组装技术在PEI膜表面引入SL，从而精准调控表面孔径。具体而言，通过聚阳离子溶液改变膜表面电荷，从而实现均匀的SL吸附和沉积（图2a和2c）。此外，为确保SL层的粘附强度，作者团队采用戊二醛（GA）对SL层进行了化学交联处理。对PEI-（PI/SL）1膜进行的卷曲与粘附测试表明，改性膜展现出优异的粘附强度，在3M胶带重复粘附测试中，SL交联层始终保持完整（图2b）。 为明确沉积的SL交联层对表面孔径的影响，作者团队对改性前后的膜表面形貌进行了表征。原始PEI膜表面光滑，分布着微米级孔隙，原子力显微镜（AFM）显示其表面粗糙度较低（Ra=13.1 nm）（图2d）。相比之下，SL在膜表面组装后形成了聚集颗粒，覆盖了原有的微米级孔隙。在相同放大倍数下，SL颗粒使表面粗糙度增加至43 nm（图2e）。 为进一步阐明PEI-（PI/SL）1膜的化学结构，作者团队进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析。结果显示，与PEI膜相比，PEI-（PI/SL）1膜的FT-IR光谱在3200-3600 cm-1处出现一个宽峰，归因于O-H和N-H伸缩振动。此外，在1660 cm-1处观察到一个新的肩峰，对应于由PI和GA交联形成的C=N键（图2f）。在聚电解质溶液中添加NaCl增加了离子强度，改变了聚电解质之间的静电相互作用，降低了有效电荷密度，从而促进了更大的聚电解质沉积。当NaCl浓度超过1M时，聚电解质解吸和吸附层扩展减少了沉积。此外，XPS分析进一步揭示了膜的表面组成（图2g和h）。 图2.PEI与PEI-（PI/SL）1膜的制备流程及表征：(a) PEI-（PI/SL）膜制备示意图，包含聚电解质逐层组装与化学交联步骤；(b)PEI-（PI/SL）1膜的铺砌态、卷曲态及剥离态光学图像；(c)PI、SL与GA交联反应示意图；(d)PEI膜的SEM与AFM图像；(e)PEI-（PI/SL）1膜的SEM与AFM图像；(f)原始PEI膜、SL粉末及PEI-（PI/SL）1膜的FT-IR光谱；(g)PEI与PEI-（PI/SL）1膜的高分辨XPS光谱；(h)C 1s与O 1s光谱   2.质子电导率与钒（Ⅳ）离子渗透性 为了研究表面组装对质子导电性的影响，测量了面电阻（AR），并随后计算了电导率（σ）（图3a、d）。结果表明，PEI膜表现出最高的质子电导率（101.4 mS cm-1）和最低的面电阻（0.118

第一作者：褚凤鸣 通讯作者：刘瞳，刘熹 作者单位：北京工业大学，天津大学，北京信息科技大学，北京化工大学 成果简介 多孔电极是氧化还原液流电池的核心组件，现有设计多为方形、矩形、圆形等常规形状，传统结构重构依赖试错法和有限人工直觉，效率低下且难以实现全局优化。本研究创新性地结合机器学习与实验方法，实现变截面电极的自动生成与精准优化。通过 SOLIDWORKS 与 Visual Basic 编程，自动生成 14536 种不同构型的变截面电极数据库，涵盖上底边长、下底边长、厚度、上下底边长比等关键参数的多维度组合。采用基于萤火虫算法（FA）优化的反向传播（BP）神经网络，建立电极几何参数与电池核心性能参数（放电电压、均匀性因子）的映射关系，经训练测试后，两项性能指标的测试误差分别低至 2.22% 和 0.069%，预测精度优异。从海量设计中筛选出两款最优电极，其中 Case 2（h=4mm，a₁=96mm，b₁=97mm，k=1.47）相较于传统矩形电极，放电电压提升 3.15%，活性离子浓度提高 8.81%，相同体积下能量效率提升 4.61%，为有机液流电池（ORFB）的高性能电极设计提供了高效、智能化的新范式。 相关成果以“Optimization of porous electrode configuration for organic redox flow battery by machine learning based on back propagation neural network based on firefly”为题发表在Journal of Energy Storage期刊上。 感谢北京工业大学褚凤鸣老师供稿！ 本文所用 螺栓型液流单电池测试夹具 由武汉之升新能源有限公司提供     研究背景 电极是液流电池电化学反应的主要场所，其内部传质行为直接决定极化损失与电池性能。多孔电极的传质阻力易导致活性离子分布不均（流场侧至膜侧浓度衰减明显）（图3），严重影响电池效率。目前电极优化主要集中于材料改性（表面官能团修饰、催化改性）和结构优化，其中结构优化因无需改变材料本质、成本更低，成为研究热点。已有研究证实，梯形、扇形等非矩形电极的传质性能优于传统矩形电极，但现有设计仍依赖有限构型尝试，难以遍历海量可能的变截面组合。人工智能时代，机器学习凭借处理复杂数据、高效优化设计的优势，为电极构型全局优化提供了可能。在液流电池领域，机器学习已用于预测电池参数、成本寿命及流场优化，但在变截面电极的智能化设计与几何—性能关系建模方面，相关研究仍较为罕见。本研究旨在填补这一空白，通过机器学习高效挖掘 14536 种电极构型的性能规律，筛选最优化设计。 核心内容 1. 电极模型生成与数据库构建 参数设计与自动生成：变截面电极的核心控制参数（图1 ）包括上底边长 a、b，电极厚度 h，上下底边长比 k，基于恒定体积（57600mm³）原则，通过

第一作者：张任重 通讯作者：杨卫卫&徐谦 通讯单位：西安交通大学&江苏大学 成果简介 以往的大多数研究主要集中在实验室规模的全钒液流电池（VRFB）流场的性能分析。为了获得适用于大活性面积VRFB的流场，西安交通大学杨卫卫教授团队基于196 cm2的活性面积对三种流场设计进行了三平行放大研究：传统蛇形流场（SFF）、该团队之前设计的回转蛇形流场（RSFF）以及高性能（HP01）流场。通过模拟和实验测试，对三种不同流场设计的性能进行了全面的评估和比较，结果表明，放大后的 HP01 流场在综合性能方面仍然优于放大后的SF和RSFF。通过多物理场分析发现，HP01 流场通过流道间的压力差提高了反应物向电极的输送，增强了局部的肋下传质。通过对这三种结构流场板的实验加工和测试，同样证实了三平行 HP01流场在充放电性能、电压效率和能量效率方面均具有最佳的性能。在150 mA·cm-2条件下，三平行HP01流场的能量效率比放大后的SFF提升了3%，在高电流密度条件下，三平行HP01 流场的性能优势更加显。 相关成果以“Performance evaluation of multiple-parallel-channel serpentine-like flow fields for vanadium redox flow battery: Simulation and experiment”为题发表在Journal of Energy Storage期刊上。 感谢西安交通大学杨卫卫团队（第一作者：张任重）供稿！ 本文所用 螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1） 及不同流场结构石墨板 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 全钒液流电池（VRFB）是一种极具前景的大规模电化学储能技术。此外，作为迄今最成熟的氧化还原液流电池（RFB）技术，VRFB 正在经历从实验室研究向工业化部署的战略转型。然而，成本问题和能量密度限制仍然是阻碍 VRFB 系统商业化落地的关键障碍，实验室研究与商业应用之间仍存在差距。现有实验和模拟研究均表明，流场结构能够提高VRFB功率密度，因此需要开发适用于更大活性面积和更大电流密度的流场结构。 在西安交通大学杨卫卫教授团队之前的研究中，用自适应等效网络模型和实验加工对流场库进行了性能筛选，最终获得了高性能流场。这些设计的流场通过优化流场布局增强了肋下的传质，从而降低局部过电位并提升 VRFB 的整体性能。为了将已开发的高性能流场应用于更大的活性面积，并研究不同流场结构在较大活性面积条件下对 VRFB 整体性能的影响机制，本研究选择了三种最初为小活性面积设计的流场结构，采用三平行流场放大方法并将其应用于更大的活性面积。通过模拟对比发现，通过三平行放大的RSFF和高性能流场在能量效率和压降方面均优于三平行放大后的蛇形流场。通过物理场分析发现，三平行高性能流场通过流道间压力差驱动更多反应物渗透到反应物不足的区域，从而增强电化学反应。随后进行了三种大面积流场板的加工，并对三种结构的流场板进行了性能对比测试，结果表明三平行放大后的高性能流场表现出最佳的整体性能。本研究的目标是开发适用于大活性面积VRFB的流场结构，以此来增强其内部的传质，并为大面积流场设计提供思路和参考。   核心内容 1.流场结构设计与放大 图1：流场示意图 a)三平行蛇形流场；b) 三平行回转蛇形流场；c) 三平行HP01流场 为了将针对小活性面积所开发的流场结构应用于具有更大活性面积的 VRFB，本研究对流场结构开展了放大研究。在本文中将原本为实验室规模（活性面积小于 50 cm2）设计的流场结构应用于电堆规模的液流电池（活性面积大于 150 cm2）。图1展示了三种三平行放大的流场结构：传统蛇形流场（SFF）、回转蛇形流场（RSFF），以及通过网络模型筛选得到的高性能流（HP01流场）。绿色区域表示流道区域，灰色区域表示肋下电极区域，红色箭头表示流道内的流动方向。将三个原本为小面积 VRFB 设计的流场平行排列，以此来应用于大面积活性区域中。   2.流场结构性能整体性能对比 三平行放大后的流场性能（图2）呈现出与小面积结构高度一致的规律：SFF在放大后仍表现出最高的充电电压和最低的放电电压，这导致了其最低的电压效率。RSFF和HP01流场均保持着更优的电压效率，其中HP01流场始终领先。压降结果显示，三平行RSFF和HP01流场明显优于三平行SFF，说明多平行放大方法具有良好的结构一致性，也验证了将针对小面积设计的流场结构应用于更大活性面积的有效性。多物理场分析进一步揭示了HP01流场通过相邻流道间压力差推动反应物深入补给电极内部，有效减少了传质死区的存在并提升整体反应活性。综合能量效率和系统效率来看，三平行HP01流场依然表现最佳；尽管相对于三平行RSFF流场压降略高，但在大面积条件下能量效率对系统性能影响更为突出。 图2：不同流场设计性能对比 a) 在 100 mA·cm⁻² 电流密度条件下的充电曲线；b) 在相同条件下的放电曲线；c) 不同入口流量下的压降；d) 能量效率和系统效率   3.均匀性分析 电极内部反应物分布的均匀性以及电流密度分布的一致性对电池性能具有关键影响。图3比较了三种流场在 SOC=0.5 与 SOC=0.8 充电状态下的电流密度与反应物浓度均匀性。结果显示，三平行放大的 HP01 流场在两项指标上均表现最优，这是由于其独特的流道结构在放大后仍能通过相邻通道间的压力差有效驱动反应物进入电极“死区”，从而提升传质效率。此外，SOC=0.8 时的均匀性明显劣于 SOC=0.5，原因在于反应物浓度降低，使得在电池充电末期高 SOC 状态下的过电位更加突出。 图3：在不同SOC条件下的均匀性系数分析 a) SOC =