June 12, 2026

通讯作者：黄泽波博士、武龙星博士 通讯单位：桂林电子科技大学、安徽科技学院 成果简介 钒液流电池（VRFB）相对较低的功率密度仍是其进一步发展的关键瓶颈。作为钒液流电池功率单元的核心材料，提升石墨毡电极性能已成为实现高功率电池技术的有效策略。为改善石墨毡电极的活性，本研究采用实验验证法，系统探究了不同活化温度与时间条件下的电池性能参数，进而确定最优活化工艺。与以往研究仅聚焦400℃、未对活化时间进行系统优化的局限不同，本研究通过评估5种活化温度（300℃、350℃、400℃、450℃、500℃）与4种活化时间（24h、11h、7h、3h），明确了上述参数对钒液流电池性能的协同影响机制。实验在室温环境下开展，结果表明：400℃活化温度下，电池充放电性能、内阻特性、能量效率及容量保持率均获得显著提升，其中能量效率分别提高5.06%、5.94%、3.67%及4.72%。本研究最终确定“400℃*7h”为最优活化条件，并提供了相应性能数据，可为后续研究降低电极活化相关的研发成本提供支撑，同时为钒液流电池电极活化技术优化及性能提升提供了重要理论参考与实践指导。 相关研究成果以“Experimental verification of electrode activation for improved performance in vanadium redox flow batteries” 为题发表在“Green Energy and Resources”期刊。 感谢桂林电子科技大学黄泽波博士供稿！ 本文所用 快拆型液流电池单电池测试系统（KCB-CZ） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 可再生能源是减缓气候变化和推进能源转型的基石，将生态优势与长期经济可持续性相结合。可再生能源已成为全球能源发展的主导方向。然而，可再生能源(如风能)的内在可变性和不稳定性，对其广泛应用于电力系统构成了主要障碍。因此，储能技术的部署对于通过能源的时空再分配来解决供需不匹配和增强电网稳定性至关重要。在各种储能解决方案中，钒液流电池(VRFB)具有显著的优势，包括最小的容量退化，有限的副反应，高可靠性和延长循环寿命。作为电化学储能系统的核心组成部分，钒液流电池具备一项独特属性—功率与能量的解耦特性，这使其在长时储能应用中表现尤为优异。然而，高成本仍然是其广泛采用的关键障碍。为了克服这一挑战，必须专注于通过提高VRFB的功率密度和电解质利用效率来降低成本，鉴于此，通过优化电极材料可以提高电池的综合性能，是克服VRFB低功率密度阻碍其广泛应用瓶颈的一种很有前景的策略。 电极材料性能的优化可以通过三种主要途径来实现:(1)增加电极活性面积，这可以通过采用高比表面积多孔碳材料(如石墨毡、碳毡)，通过物理或化学活化增强反应活性，或引入碳纳米管和石墨烯等纳米结构来实现。(2)催化改性，将催化材料固定在电极表面，降低钒氧化还原反应的过电位。(3)结构设计，利用3D多孔电极或梯度孔结构平衡电解质流动阻力和活性位点利用。在上述优化电极材料的方法中，电极热活化作为一种有效且方便的方法脱颖而出。它主要通过优化电极的物理化学性质来提高反应动力学、电导率和质量传递效率，从而导致电池性能的大幅提高。 近年来，通过电极热活化提高VRFB的效率取得了相当大的进展。He等人对内部处理和催化剂如何提高电极活性进行了全面分析，表明热处理有效地提高了VRFB的性能。Greco等人通过采用一系列温度(400、450、500°C)和处理时间(0-24小时)研究了热预处理对电极表面积的影响。他们的研究结果表明，在0–3h的处理时长内，电极表现出良好的稳定性，但处理时间延长后，电极比表面积会显著下降。Faggiano等人采用了延长热处理工艺，取得了最优性能。研究表明，聚丙烯腈基碳毡经400℃、6h热处理后，展现出高稳定性与优异的电化学性能。Köble等人发现，提高活化温度可改善润湿性并降低阻抗，但在更高温度下会引发严重的碳分解，400℃活化可实现最佳性能，不过该研究的评价指标尚未完全全面。Li等人指出室温活化电极显著提升了VRFB性能，在80mAcm⁻²电流密度下能量效率（EE）达到82.20%；相较于纯石墨毡和空气加热石墨毡，其能量效率分别提升6.10%和4.02%，这充分证明了该方法的有效性。Barranco等人对电极进行了500℃、1h的热处理，导致石墨毡化学成分发生变化，但未详细阐述其对电池性能的具体影响。G Dai等人指出500℃/2h热活化制备的碳毡兼具更长充放电时间与更低内阻的最优组合，凸显了活化温度、处理时间与电极最终性能之间的关键耦合效应。 尽管在VRFB电极热活化方面取得了显著进展，但仍存在一个关键的研究空白:大多数研究都集中在孤立的活化参数上，如单个温度或持续时间，或者只评估了有限的性能指标，导致缺乏对活化温度和持续时间对整体电化学性能的协同效应的系统评估。例如，Greco等人研究了热预处理对电极表面积的影响，Köble等人研究了温度依赖的润湿性和阻抗，但这两项研究都没有在优化的活化条件与关键VRFB性能指标之间建立更详细的相关性。例如充放电动力学，直流内阻，EE和长期容量保持。同样，尽管Faggiano等人和Dai等人确定了特定碳毡材料的最佳热处理参数，但他们没有对多个温度–持续时间组合进行比较分析，以确定一个广泛适用的活化窗口。因此，在实际应用中，活化效率和电极结构完整性之间的最佳平衡仍然存在很大的不确定性。 这一研究缺口阻碍了电极热活化有效转化为VRFB性能的提高。在没有系统优化活化温度和活化持续时间的情况下，热处理可能无法完全活化电极的活性位点(欠活化)或导致石墨毡过度氧化和碳降解(过度活化)。这两种结果都会损害电池性能并加速退化。因此，解决这一差距对于充分利用电极热活化在提高VRFB的功率密度和运行可靠性方面的潜力至关重要。 上述分析表明，VRFB电极的热活化是提高其电化学性能的关键步骤。这一过程主要通过改变电极材料的表面化学、孔隙结构和活性位点密度来提高电池的电荷转移效率和反应动力学。因此，确定电极热活化的最佳温度和持续时间对于提高VRFB性能至关重要。本工作系统地回顾了文献，以建立石墨毡电极的最佳热活化参数(温度和持续时间)。建立VRFB性能测试平台，系统比较碳毡的预处理条件，评估不同温度和时间下处理后的性能。   核心内容 【实验方法】 为了确定最佳电极活化温度和持续时间，构建了如图1(a)所示的实验平台。单电池测试系统采用武汉之升新能源有限公司。其组件包括离子交换膜、刻有蛇形流道的双极板、石墨毡、电极框架、铜集流板、铝制端板及紧固组件。其中，离子导电膜选用东岳DM212，膜厚50μm，电导率超过100mS/cm，氢气渗透率<0.01mL/min cm2，横向机械强度为32MPa。电极的有效活性面积为2cm×2cm(4cm2)，厚度为4.35mm。选用Neware（新威）CE-5008-10V20A-SBM充放电测试仪，单通道电压输出范围为2.5V-10V，精度为±0.02%，稳定性为0.01%。单通道电流输出范围为20mA-20A，精度为±0.03%，稳定性为0.015%，分辨率为16位。在正负极储罐中各加入30mL的1.7 ML−1电解液，初始价态为3.5+的钒离子。为了确保电池的最佳性能，将电池内置于泓进恒温箱里面，环境温度保持在40°C，湿度为50%。 图1 实验设计: (a)设备平台；(b)实验流程。 为了阐明电极热活化如何影响VRFB性能的机理，如图1(b)所示，作者设计了详细的实验程序。在实验之前，确保所有设备正常运行。采用了100 mAcm−2的恒流充放电方式，将截止电压设置为1.65V(充电)和0.9V(放电)。保护电压范围设置为0.85V至1.70V。在整个实验过程中，每30秒进行一次数据采集。循环泵以120 mLmin-1的固定速率运行，每种操作条件进行20次循环。实验分两个阶段进行。第一阶段，确定最佳活化温度。即通过保持所有其他操作条件不变，活化温度以50℃为步长，从300℃逐步提高到500℃，并在每一步收集实验数据。在温度测试之后，评估循环行为、内阻、效率和容量维护等性能指标，以选择最有效的活化温度。然后，这一确定的温度参数将指导后续对最佳处理持续时间的研究。在这一阶段，选择3、7、11和24小时的活化持续时间来评估和比较这些条件下的电池性能，目的是确定最佳活化持续时间。在进行20次充放电循环之前，使用30mAcm−2的低电流进行初步电解，以充分活化石墨毡并确保电解质完全电离，从而最大限度地减少对实验结果的潜在干扰。   【结果与讨论】 VRFB的性能评估涉及多个关键参数，直接影响其效率、成本、寿命和应用场景。作者利用充放电特性、直流内阻、能量效率和容量保持作为关键指标来评估在不同温度和持续时间参数下活化的电极。循环性能的评估依赖于电池测试仪器生成的充放电曲线。VRFB充放电曲线提供了对运行特性的洞察，包括电压动态和能量损失，从中得出关键性能指标。VE由与电子转移势垒相关的活化极化决定，突出了电极活化以创建催化位点的必要性。同样，容量保留反映了电极在重复循环中的稳定性同样依赖于电化学活性。高活性电极可以降低活化能，加快反应速率，最大限度地减少极化损失，从而提高容量保持。下面的讨论不仅将展示性能结果，还将阐明潜在的结构–活性关系，强调活化温度和持续时间之间的相互作用如何导致性能优化，这是本工作的关键发现。 （1）充放电性能 作者以恒流运行下的充放电循环作为关键指标来评估VRFB的性能。热活化通过产生活性位点，提高润湿性和修改表面化学来改善电极功能。这些综合效应优化了物理化学性质，从而提高了动力学性能和传输效率。图2(a)比较了不同活化温度下的单次充放电循环性能。以300℃为参照，随着温度的升高，充放电持续时间也随之增加，说明活化温度促进了电化学反应。然而，随着活化温度的继续升高，充放电性能开始下降，这表明过高的温度会导致石墨毡过度氧化，破坏石墨晶格结构，降低电导率。实验显示，在400℃时达到最佳性能，充放电持续时间分别比300℃、350℃、450℃和500℃时长1260s、360s、4620s和3570s。图2(b)对比了20次充放电循环的性能，进一步证实了400°C下的优越性能。400°C下的总充放电持续时间分别比300°C、350°C、450°C和500°C下的长12900s、23730s、3810s和63050s，换算成平均单周期持续时间分别比300°C、350°C、450°C和500°C下的长645s、1186.5s、190.5s和3152.5s。有研究表明，当活化温度过高时，石墨毡容易碳化，导致性能明显下降。 电极的热活化主要是为了增强电极的催化活性，改善电解质的润湿性，降低电荷转移阻抗。因此，不同的活化持续时间会显著影响电极的表面特性、反应活性和长期稳定性。例如，短期活化可能导致活化不足，从而导致活性官能团数量有限，催化位点较少，阻碍了电化学反应的进行。另一方面，过度活化会对石墨毡表面造成严重腐蚀，加剧副反应。图2(c)和(d)分析了四种不同的热活化持续时间对电池单次和多次循环充放电性能的影响。图2(c)中的数据显示，相对于11h的活化，7h的活化延长了360秒的操作时间。这种性能下降意味着延长的活化会促进非导电氧化物的产生，增加电阻，并导致充电和放电过程中的异常电压行为。为了进一步确认活化时间对循环稳定性的影响，对20次循环后的电压特性进行了统计评估。实验结果表明，7h活化的总充放电时间比11h活化的总充放电时间长6270s，相当于每循环平均增加313.5s。这表明，适度活化可以大幅提高电池性能，而过度活化则会损害电池性能。 图2 充放电特性分析: (a)不同活化温度下的单次充放电曲线，(b)不同活化温度下的20次充放电曲线，(c)不同活化持续时间下的单次充放电曲线，(d)不同活化持续时间下的20次充放电曲线。   （2）热活化对电池内阻的影响分析 […]

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 在特定温度下，VO2+离子的扩散系数保持不变，此时离子浓度分布的均匀性随液体流速的增加呈现先增大后减小的趋势，如图4（a）所示，这表明流速过高和过低都不利于离子的均匀分布，此变化趋势并未随温度变化而改变。在特定流道结构下，液体的流动状态和离子的扩散行为同时受到温度影响，这是因为液体动力粘度和离子扩散系数都随温度改变而变化。随温度升高，液流动力粘度降低，流动速度变快；而离子扩散系数随温度升高逐渐变大，如图4（b）所示，表明高温条件下离子扩散速度较快，有利于离子分布的均匀性。流动状态和扩散行为的双重作用，导致在使用不同流道类型时，VO2+离子分布的均匀性随温度的变化趋势并不一致。 图4：VO2+离子分布特性 a)浓度分布均匀性随温度变化情况；b)离子扩散系数随温度变化情况   4.热电化学循环系统循环特性 图5 （a）为工作流量为1mL/min时TEC系统相比于全钒液流电池（Vanadium redox flow

第一作者：彭仕琦 通讯作者：贺高红 通讯单位：大连理工大学 DOI：10.1002/aenm.71164 感谢大连理工贺高红团队（第一作者：彭仕琦）校稿！ 工作简介 本研究提出了一种通过刚性侧链将电荷引入亚纳米通道中部的策略，并开发出一种名为QPAEPi-3的膜材料，在保持水分子和离子高扩散系数的同时构建了连续的氢键网络。同时，作者团队还同步设计并研究了无侧链（QPAEPi-1）及含柔性侧链（QPAEPi-2）的膜材料。实验结果显示位于远离孔壁处的电荷虽会降低水分子吸附量，但能诱导形成更接近体相水的氢键网络，从而提升水分子和离子的自扩散系数。该膜材料实现了氯离子最高导电率（30°C时达42mS cm⁻¹）以及pH中性有机液流电池的最高能量效率（500mA cm⁻²时达55%）。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 离子交换膜在燃料电池、氧化还原流电池及水电解等多种电化学装置中发挥着关键作用。凭借载电特性，能促进离子传输，从而确保电化学系统的高效运行。因此，提升其离子传输能力对优化这些器件的性能至关重要。传统离子交换膜通常通过增强离子交换容量（IEC）、引入柔性烷基季铵侧链、引入疏水性烷基/氟化结构，或利用氢键、π-π堆积及偶极–偶极相互作用等非静电作用力来改善微相分离，进而提高离子导电性。然而，在膜的选择性与离子导电性之间难以实现权衡。 核心内容 1.膜制备与化学结构表征 图1.QPAEPi-x膜物理与化学结构的表征 ¹H核磁共振谱显示6–8ppm处的化学位移源自聚合物主链中苯环上的氢原子；所有QPAEPi-x聚合物均呈现相应的化学位移，证实了主链的芳香结构特征；季铵基团上甲基氢信号的出现证实了三种聚合物均成功实现了亲水修饰。此外，FTIR在3700 cm⁻¹处的波数源自水分子，在所有三种膜中均被观察到，进一步证实了该聚合物具有亲水性特征。 所有三种离子交换膜均表现出均匀性和透明性。AFM可观察到三种膜表面均均匀且无缺陷。所有膜的表面粗糙度均未超过0.185nm，证实了聚合物膜表面的光滑性。   2.在亲水性受限通道中扭转氢键网络 图2.受限通道尺寸与水分子分布，水分子在受限通道中的分布 AFM观察到所有干燥态QPAEPi-x均表现出显著的微相分离行为。对于QPAEPi-1，亲水性离子簇的尺寸分布范围为5至20纳米；QPAEPi-3的离子簇尺寸分布与QPAEPi-1相似，但平均离子簇尺寸略小于QPAEPi-1；而QPAEPi-2的离子簇尺寸分布范围较宽，平均离子簇尺寸大于QPAEPi-1和QPAEPi-3，显示出最明显的微相分离特征。 2D ¹H-¹H NOESY谱显示当两个氢原子间距小于5Å时，谱图中会出现交叉峰；否则则未观察到任何峰。在QPAEPi-1中，水分子上的氢原子（3.3ppm）与苯环上的氢原子（6.8ppm和7.4ppm）均呈现明显的交叉峰，表明水分子与苯环的距离小于5Å，证实了水分子环绕苯环的存在。对于QPAEPi-2和QPAEPi-3，其背锥区中未观察到水分子与苯环之间的明显交叉峰，说明水分子始终远离苯环。因此，通过设计侧链结构，可以调控水分子的分布范围。与此同时，水接触角测试证实与QPAEPi-1相比，QPAEPi-2和QPAEPi-3表现出更大的接触角。 图3受限通道中水分子间氢键网络的分布 FTIR在干燥状态下检测到的水分子均分布于季铵基团附近区域。三种QPAEPi-x样品均在3100–3800cm⁻¹处呈现特征峰。QPAEPi-1样品中非氢键结合型水占比达21.2%，表明部分水分子相对独立，尚未形成完整的氢键网络，归因于季铵基团紧邻孔道壁，导致水分子吸附于受限通道壁面，从而阻碍了水分子间氢键网络的形成。QPAEPi-2样品也表现出类似特性，其非氢键结合型水含量高达32.1%，可能归因于在干燥状态下，柔性侧链呈卷曲状且未完全伸展，从而阻碍水分子形成高效、连续的氢键网络。然而，QPAEPi-3的非氢键结合水含量极低（仅为2.8%），表明当季铵基团远离孔壁时，吸附的水分子能够轻易形成连通的氢键网络。但经水合处理后，QPAEPi-x膜中水分子的FTIR峰均出现红移，表明膜内形成了更强的氢键网络。进一步分析显示，水合后的QPAEPi-1和QPAEPi-2膜中非氢键结合水含量显著降低，而强氢键水含量则大幅增加，说明吸附的水分子被用于构建相互连接的水通道网络。不过由于QPAEPi-3的季铵基团远离孔壁，在整个水合过程中非氢键结合水含量始终较低；而强氢键水含量的增加主要源于弱氢键水的转化。 FTIR测定的水合QPAEPi-x中各类水分子比例的变化显示随着季铵基团离聚合物孔壁越来越远，水合QPAEPi-3中水分子的状态变得更类似于体相水的状态，而水合QPAEPi-1中水分子形成了相对较强的氢键网络，可能会限制水分子自扩散的速率。分子模拟结果可视化展示了QPAEPi-x中水分子形成的氢键网络；其中QPAEPi-1由于具有更高的吸水能力，其氢键网络更为广泛。并且，所有三种水合态QPAEPi-x化合物中的氢键网络均强于纯水中的氢键网络，可能归因于空间限制效应。   3.亲水性受限通道中的离子与水转运 图4受限通道中的离子与水转运 固态核磁共振技术显示所有三种QPAEPi-x膜均显示自由水分子的化学位移位于4.7ppm处，并伴有受限通道内水分子的化学位移。随着季铵基团远离孔道壁移动，水分子的化学位移逐渐趋近于自由水的化学位移，表明水分子状态正向自由水状态靠拢。同时，在QPAEPi-x膜中的F⁻体系中也观察到相同现象，说明F⁻的自扩散系数与水分子的自扩散系数呈正相关。脉冲场梯度核磁共振技术显示当受限水分子中的氢键网络强度接近体相水时，水分子的自扩散系数随之增加；同时F⁻离子的自扩散系数也显著升高，表明F⁻离子的自扩散系数与水分子的自扩散系数呈正相关。同时，宏观尺度下水分子或阴离子扩散能力实验显示QPAEPi-x的F–扩散系数约为10−6cm2 s-1，而在浓度驱动条件下，宏观F-扩散效率约为10-7cm2 s-1。然而，QPAEPi-x之间的相对关系保持不变，表明阴离子在宏观和微观尺度上的扩散能力存在相关性。 此外，室温下的面电阻测试表明QPAEPi-1的平均面电阻为1.16Ω cm²，而QPAEPi-2为0.87Ω cm²。QPAEPi-3的面电阻最低，仅为0.68Ω cm²，表明在三种膜中具有最低的氯离子传输电阻。氯离子电导率与温度呈正相关，与高温下较高的WU值相关。然而，QPAEPi-3虽具有最小的WU和SR，却展现出最高的氯离子电导率，表明本研究提出的优化亚纳米通道内电荷分布的策略对于提升氯离子电导率至关重要。   4.电池性能 图5配备QPAEPi-x的NAORFB电池性能 配备QPAEPi-x的TEMPO基NAORFBs可在高达500mA cm-2下完成完整的充放电循环测试，表明具备快速充电潜力。随着电流密度增加，电池的CE持续上升，充分证明了QPAEPi-x对氯离子具有优异的选择性传输能力。在相同的电流密度下，QPAEPi-2电池的CE低于QPAEPi-1和QPAEPi-3电池，是由QPAEPi-2形成的较大离子簇尺寸导致选择性略有下降所致。然而，使用QPAEPi-3的电池CE也略低于QPAEPi-1，但在100mA cm-2下仍超过99.5%，表明具有优异的选择性。随着电流密度增加，QPAEPi-x电池的EE逐渐降低。在相同电流密度下，QPAEPi-3电池的EE高于QPAEPi-1和QPAEPi-2。在300mA cm-2下，QPAEPi-3电池的EE超过71%；即使在500mA cm-2时，EE仍保持在55%以上，显示出较高的EE。 此外，采用TMAP-TEMPO作为活性材料的电池表现出更高的CE，归因于TMAP-TEMPO上的季铵基团与QPAEPi-3上的季铵基团之间存在的排斥作用。在200mA cm-2下，采用QPAEPi-3的NAORFB电池CE接近100%，而EE仍保持在71%以上，表明具有优异的氯离子选择性传输能力。并且，经过1500次充放电循环后，电池的CE未发生显著变化，始终维持在100%附近；放电容量也未出现明显波动，进一步证实了电池的卓越稳定性。第500、1000和1500次循环的放电曲线更清晰地证明未出现容量衰减现象。首次循环的放电容量相对较低，是由于电池测试初期阶段QPAEPi-3逐渐被活化，导致实际放电容量持续上升；至第50次循环时电池已达到平衡状态，此后实际放电容量不再出现显著变化。 核心结论 本文开发了三种具有不同侧链构型的阴离子交换膜，并用于研究氯离子传输机制。三种膜均表现出相似的微相分离行为和亚纳米级孔径分布特征。由于侧链的刚性构象，QPAEPi-3上的季铵基团相较于QPAEPi-1更远离主链排列。这种结构安排使水分子和氯离子在亚纳米级孔隙内的分布倾向于向中心区域而非孔壁聚集，由此形成的水分子间氢键网络强度更接近体相水。PFG-NMR实验证实阴离子与水分子的自扩散系数存在协同效应。因此，在最低溶胀比（10%@30°C）条件下，QPAEPi-3展现出最高的导电率（42mS cm⁻¹）以及pH中性有机氧化还原液流电池的最佳EE（55%@500mA cm⁻²）。