June 2026

  第一作者：丁文龙 通讯作者：廖俊斌 & 沈江南 通讯单位：浙江工业大学 成果简介 为实现大规模、长时储能目标，全钒液流电池（VRFBs）已成为极具发展前景的电化学储能方案。这类储能系统对膜材料的稳定性与选择性提出了严苛要求。然而，传统微相分离膜在追求高离子传导率与抑制活性物质交叉渗透之间往往存在权衡效应，且长期化学稳定性不足的问题进一步加剧了这一矛盾。 为解决上述挑战，本研究，浙江工业大学沈江南/廖俊斌团队设计了一种基于超分子作用介导的策略，在离子传输通道内原位合成共价有机框架（COFs）。高磺化度的聚合物链提供磺酸基团（SO3H），作为COF前驱体的超分子作用位点，为晶体生长提供规整模板。优化后的复合膜在离子通道内形成分子筛分效应，展现出优异的离子选择性（VO2+渗透率P：3.24×10−8 cm2s−1；选择性S：5.70×105）与稳定的电池运行性能（500次循环后库仑效率CE＞99.6%，能量效率EE＞78.89%）。该性能优于Nafion 212膜及多种已报道的同类膜材料。 相关成果以“Self-Assembly of Covalent Organic Frameworks within Sulfonated Polysulfone Membranes via Supramolecular Interaction for Vanadium Redox Flow Batteries”为题发表在Journal of Membrane Science期刊上。 感谢浙江工业大学沈江南&廖俊斌团队 （第一作者：丁文龙博士）供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统 （YTH-1/LSB-1） 及钒电解液 由武汉之升新能源有限公司提供 研究背景 为解决传统离子膜固有问题，浙江工业大学沈江南/廖俊斌团队提出超分子相互作用介导策略构建具有共价有机框架离子筛的聚合物−COF复合膜。结合微相分离与COF亚纳米级孔道特性，通过尺寸排阻与Donnan效应实现高离子选择性。 本研究采用超分子相互作用介导策略，在离子传输通道内原位合成了高离子选择性COF复合膜。具体而言，我们巧妙地选用磺化聚砜作为有序模板。其磺酸根基团（−SO3−）与胺类单体间存在强超分子相互作用，使COF前驱体实现定向排列，进而促进COF在聚合物基质内发生原位“定向”或“有序”生长。磺化度为60%的磺化聚砜膜不仅为COF的原位合成提供了取向模板，还赋予材料优异的质子选择性。在酸性液流电池体系中，TpBD(NH2)离子筛通过质子结合形成带正电的铵盐以发挥Donnan effect，并结合孔径筛分作用，实现高效钒离子阻隔与质子传导。离子通道中TpBD(NH2)的存在显著提升了膜的离子选择性，为VRFBs的稳定运行提供了保障。同时，通过优化单体添加比例，成功制备出均一性良好的SPSF-TpBD-0.4复合膜。该膜在100 mA cm−2电流密度下的VRFBs系统中可稳定运行500循环以上，且始终保持优异的钒离子阻隔性能与高效质子传输性能。微相分离结构与COF离子筛的协同作用，赋予了所制备复合膜更优异的综合VRFBs应用性能。 核心内容 1. 膜材料设计和表征 在传统共价有机框架（COF）合成中，单体在溶剂中的无规分散会导致低聚物无序生长与团聚。本研究开发了一种超分子作用介导的策略，通过模板组装与取向结晶调控COF在质子传输通道内的聚合过程。借助磺化聚砜（SPSF）聚合物优异的化学稳定性及其可调的−SO3−功能位点，设计了具有特殊离子传输通道的COF改性膜（SPSF-TpBD-X）。具体而言，如图1 (a)所示，SPSF主链上均匀分布的−SO3−基团与BD(NH2)单体中的–NH2基团之间存在强烈的静电相互作用，该超分子作用可诱导BD(NH2)单体在分散体系中规则排列（图1 (b)）。 图 1. （a）共价有机框架（COF）合成路线及（b）超分子作用诱导COF合成策略示意图；（c）磺化聚砜（SPSF）链与BD (NH₂)单体的模拟静电势计算结果；（d）TpBD(NH2)的结构示意图；（e）TpBD(NH2)及SPSF-TpBD-X复合膜的X射线衍射（XRD）图谱。 通过模拟计算确定分子的静电势分布（图1 (c)），−SO3H基团呈现负静电势（–34.26 kcalmol−1），而BD(NH2)单体中的–NH2基团呈现正静电势（29.55 kcalmol−1）。由此，强酸碱相互作用促进了BD(NH2)的取向排列。随后，引入的Tp单体将优先与经诱导排列的BD(NH2)发生席夫碱反应，形成COF前驱体；继而在该半合成基底上逐步构建TpBD(NH2)共价有机框架，最终在聚合物膜的离子通道内形成均匀的COF离子筛。TpBD(NH2)的结构如图1 (d)所示。 TpBD(NH2)的XRD图谱在2θ=6.10°和25.03°处出现明显衍射峰，分别对应其(100)和(001)晶面。对于SPSF-TpBD (NH₂)-X复合膜，由于COF负载量较低，仅在2θ=6.01°处观察到微弱的COF特征衍射峰（结晶尺寸：3.63 nm）。值得注意的是，原始SPSF膜在2θ=18.10°处的衍射峰强度随COF负载量增加而逐渐减弱。 […]

  第一作者：张雪 通讯作者：安全福&宋芃 通讯单位：北京工业大学 成果简介 水系有机氧化还原液流电池（AORFBs）因其在大型储能技术中的巨大潜力而备受关注。然而，作为AORFBs的关键组件，兼具高离子电导率与低氧化还原活性分子渗透率的离子交换膜（IEMs）仍面临挑战。北京工业大学安全福教授团队提出一种通过调控不同疏水性与刚性聚合物链段的主链设计策略。该策略促进了膜内相互连接且有序排列的离子传输通道形成，从而全面提升了膜的性能。制备的侧链型聚（间三联苯–共–二苯乙烷吲哚）膜（sPTD-X）展现出较高的吸水率、离子电导率及机械强度。与Nafion 212相比，sPTD-30膜具有更高的K⁺电导率和更低的氧化还原活性分子渗透率。采用sPTD-30膜组装的单电池AORFB能量效率（EE）达77.4%（100 mA cm-2），高于Nafion 212膜。此外，基于sPTD-30膜的电池还展现出优异的循环稳定性，在350 h测试中每循环容量衰减率仅为0.0174%，且测试后未观察到显著的化学结构变化。 相关成果以“Backbone structure design of poly (aryl isatin) membranes for enhanced performance of aqueous organic redox flow batteries”为题发表在Journal of Colloid And Interface Science期刊上。 感谢北京工业大学安全福教授团队 （第一作者：张雪）供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统 （YTH-1/LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 研究背景 大规模储能装置是应对当前能源挑战的关键方案，其中水系有机氧化还原液流电池（AORFB）因其独特优势，正受到业界日益广泛的关注。应用于AORFBs的商用Nafion膜，由于其离子通道尺寸不可控，在离子电导率与离子选择性之间面临难以调和的权衡问题。此外，Nafion膜的高昂成本削弱了AORFBs的成本优势。因此，开发兼具高离子传输效率与选择性的高性能离子交换膜具有重要意义。 本研究，北京工业大学安全福教授团队通过分子结构设计，将不同疏水性和刚性单体引入聚合物主链，调节了聚合物的离子传输通道，从而实现了对膜微观形态的调控。团队系统研究了sPTD-X膜的物理化学性质和微观结构，旨在阐明聚合物结构与膜性能之间的内在关系。将sPTD-X膜应用到AORFBs，系统研究了膜的面电阻、功率密度、电池效率及稳定性等关键性能指标，且与商用离子交换膜展开性能对比，凸显其应用潜力。 核心内容 1.sPTD-X的合成与表征 图1：（a）sPTD-X聚合物的合成路线；（b）PTD-30与sPTD-30的¹H NMR谱图；（c）PTD-30与sPTD-30的FTIR谱图 以间三联苯（Tm）、1,2-二苯基乙烷（Dp）和吲哚为共聚单体，通过Friedel-Crafts聚缩合反应，制备PTD-X主链，随后使用1,4-丁磺酸内酯进行磺酸功能化修饰。通过调节聚合物骨架中Tm（X=0,20,30,50）的比例制备了侧链型sPTD-X，其合成路径如图1a所示。¹H NMR谱图分析表明，在6.8–7.8 ppm化学位移归属于主链芳香区质子。吲哚单体的-NH质子特征峰出现在10.78 ppm，Dp的亚甲基质子峰则位于2.80 ppm处（图1b）。相比之下，sPTD-X谱图中出现1.66 ppm和3.75 ppm的新化学位移，这归因于1,4-丁磺酸内酯的亚甲基质子。同时，10.78 ppm处吲哚的-NH质子峰消失，表明官能化反应完全。此外，红外光谱（图1c）显示，与PTD-X相比，sPTD-X在1037 cm-1和1356

第一作者：魏仕国 通讯作者：王刚&王瑞林 通讯单位：四川大学 成果简介 聚苯并咪唑（PBI）膜是一种非常有发展潜力的全钒液流电池（VRFB）隔膜材料，但其发展受到低质子电导率的限制。为此，四川大学王瑞林教授&王刚博士团队通过将含柔性醚链的PBI（OPBI）与锆基磺化MOF（UiO-66-N-SO3H，PSM）结合制备了OPBI/PS复合膜。PSM 材料成功构建了质子传输通路和钒离子渗透阻隔屏障，将质子电导率从 7.3 mS cm−1（OPBI）提高至 28.4 mS cm−1（OPBI/PSM5，提高 289%），降低了钒离子渗透，并将抗拉强度提高至 89.0 MPa。在VRFB单电池中，OPBI/PSM5膜在40−160 mA cm−2范围内可提供约90–77%的能量效率，优于Nafion 212（∼79–68%）和纯 OPBI（∼86–68%）膜。该膜的自放电时间为 371 小时（Nafion 212 仅为 21 小时），并在140 mA cm−2下循环 2150 次后保持约 80% 的能量效率。本研究提出了一种可行的策略来推进高性能VRFB膜的开发。 相关研究成果以“Multichannel Proton-Conducting Polybenzimidazole/Sulfonated UiO-66 Hybrid Membranes for High-Performance Vanadium Redox Flow Batteries”为题发表在Industrial & Engineering Chemistry Research上。 感谢 四川大学王刚团队（第一作者：魏仕国）供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统（YTH-1/LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 研究背景 随着全球人口增长和工业化进程加快，能源需求迅速上升，而石油、天然气等化石燃料因储量有限和环境污染问题已难以支撑可持续发展。可再生能源如太阳能和风能成为主要替代方向，但其间歇性特征要求先进的储能系统（ESS）维持电网稳定。在众多储能技术中，全钒液流电池（VRFB）因循环寿命长、安全性高、功率与容量可独立调节而被认为最具潜力。质子交换膜（PEM）是VRFB的核心部件，需在阻隔钒离子交叉渗透的同时保证质子传导。商业化的Nafion膜虽具高质子电导率，但存在成本高、钒离子渗透严重等问题，限制其应用。研究者因此开发了非氟化聚合物膜，如磺化聚醚醚酮（SPEEK）和磺化聚酰亚胺（SPI），虽改善了离子选择性，但易在强酸环境中降解，循环稳定性不足。 聚苯并咪唑（PBI）凭借优异的抗氧化性、热稳定性和机械性能成为潜在替代材料，其咪唑环可质子化并排斥钒离子，但其本征质子电导率较低。为提高性能，研究者通过引入侧链、构建多孔结构、添加导电填料、引入磺酸基或交联改性等方法改善PBI膜。近期研究表明，将金属有机骨架（MOF）与聚合物复合是一种高效策略，可同时提供质子传导通道并阻隔钒离子。基于此，本文通过在柔性含醚PBI（OPBI）中引入磺化UiO-66-NH2（UiO-66-N-SO3H，简称PSM），制备出OPBI/PSM复合膜。该膜通过咪唑基、−SO3H基和MOF孔道形成多重质子传导路径，兼具高导电性与优异的离子选择性，显著提升了质子电导率（达28.4 mS cm−1）并有效抑制钒离子渗透，为高性能液流电池膜的开发提供了新思路。 （a）复合膜OPBI/PSM-x的制备工艺;（b）OPBI/PSM5膜中的质子传导机制和钒抑制机制 核心内容 1. OPBI、UiO-66-NH2和PSM的结构确认 图1.（a）OPBI的合成途径，（b）合成的OPBI的照片，（c）1H NMR 光谱和（d） OPBI 的 FTIR 光谱。 聚苯并咪唑（PBI）的实验室合成通常使用聚磷酸（PPA）或伊顿试剂（甲磺酸与P₂O₅）作为反应溶剂。传统PPA法需在170–230 °C高温下反应数小时甚至数天，且单体溶解度低，易生成分子量较小、力学与热稳定性不足的产物，同时高温还会诱发交联和凝胶化。为解决这些问题，本研究采用伊顿试剂体系，在氮气氛下以3,3′-二氨基联苯胺（DAB）和4,4′-二羧基二苯醚（OBBA）为单体，于110–140 °C反应约2 h，既避免低温下结晶不完全，又防止甲磺酸分解。所合成的柔性含醚OPBI具有良好溶解性与可加工性，并提升膜的质子电导率。如图1所示，1H NMR在δ= 13.00 ppm处显示咪唑N–H特征峰，FTIR中1169 cm−1的C–O–C伸缩、1626

  第一作者：王少晋 通讯作者：熊斌宇 通讯单位：武汉理工大学 成果简介 全钒液流电池（VRB）在长期运行过程中面临着电解液体积失衡导致容量异常退化的挑战，因此准确预测电池的健康状态（SOH）对维持系统的稳定运行至关重要。在本文中，作者建立了VRB容量退化过程的模型，并提出将变分模式分解应用于SOH时间序列，作为解决电池老化过程中容量再生问题的一种手段。基于相关分析，重构了代表容量再生的波动函数F(t)和代表主要容量趋势的主趋势函数M(t)。利用长短期记忆和门控循环单元神经网络分别建立了两个函数性质的集成神经网络模型。通过计算概率分布来解决结果的不确定性问题。实验和仿真数据分别验证了该集成模型的可行性和有效性。结果表明，在多个时间尺度上，集成模型的预测均方根误差可保持在0.45%以内。与其他模型相比，该模型在精度和稳定性方面具有显著优势。 相关成果以“A Prediction Model of State of Health for Vanadium Redox Flow Batteries Based on Variational Mode Decomposition and Integrated Neural Network”为题发表在IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics期刊上。 感谢武汉理工大学熊斌宇团队（第一作者：王少晋）供稿！ 本文所用 液流电池单电池测试系统 由武汉之升新能源有限公司提供 研究背景 随着大数据和人工智能的广泛普及，宏观机制模型被提出。将整个电池堆或储液罐视为单个质量点，建立了电池参数与容量退化的关系，简化了计算的复杂性。过去的研究建立了VRB的SOC状态检测模型，该模型在监测容量不平衡状态方面非常有效。此外，还提出了一种数据驱动的方法，将流量集成到VRB建模中。通过设计不同电流和流量的循环实验，验证了模型的可行性、有效性和鲁棒性。结果表明，该模型在较宽的工作范围内表现良好，对终端电压的预测误差保持在0.023 V以下。随着时间的推移，由于各种反应的叠加，阴极和阳极电解液的体积变得不平衡。如果不解决这种不平衡，容量可能会变得不平衡和衰减，或者可能会耗尽。因此，绝大多数VRB系统需要定期维护，主要是通过混合或平衡电解液来恢复可用容量。因此，VRB的SOH预测不仅关系到VRB系统的长期稳定运行，而且对于保证VRB储能系统的稳定性和可靠性至关重要。 为解决这一问题，武汉理工大学熊斌宇团队提出了一种基于VMD的SOH估计模型，并从宏观机制上对容量再生现象提出了集成神经网络。对SOH时间序列进行VMD分解，并基于相关性重构，得到代表容量再生的波动函数F(t)和代表容量衰减的主趋势函数M(t)。通过实验验证了集成模型的有效性和可行性。通过MATLAB仿真建立了VRB的容量不平衡模型，验证了所提容量再生综合模型的优越性。该综合模型在多时间尺度上的性能也很好，表明该方法具有较强的稳定性。这有效地提高了模型的准确性和稳定性。与其他方法相比，性能同样最好。该方法能有效地应对长期运行过程中复杂多变的情况。这有可能为VRB储能领域的发展做出贡献。 核心内容 1.数学模型  变分模态分解（VMD）以其对模态混叠现象的优异处理能力被广泛应用于不同的领域。对于自适应信号处理方法，本文选择VMD，通过将SOH退化曲线分解来处理电池容量退化问题。图1给出了模态分量个数K为2、3和4的情况。通过分析分解后的本征模态函数及其频谱图，确定了K的最优值。分解后的分量及其对应的谱图如图1所示。图1(a)显示了K= 2时的两个分量。可以看出，IMF1和IMF2分别为代表动态的中频分量和代表静态的低频分量。然而，中低频部分没有出现，因此一些特征信息缺失。因此，不考虑这种情况。图1(d)为取K = 4时的分解图。虽然存在一个中低频动态分量和一个中频动态分量，但这增加了计算负荷，放大了后续计算中的误差。因此，确定K为3，并将ε设为10-7，以减少工作量并防止与太多预测相关的累积误差。通过相关性分析，将IMF三个分量重构为主趋势函数M(t)和波动函数F(t)。IMF的相关系数小于3个分量的平均系数，设为F(t)。将所有大于平均系数的IMF累加并加上残差RES(t)，记为M(t)。这可以有效地从SOH时间序列中分离出局部再生引起的波动信号中和主要的变化趋势，显著提高SOH预测模型的预测性能。 图1:不同K值下电池VMD分解分量及频谱图(a)(b) K =2, (c)(d) K =3,

  第一作者：赵伊健 通讯作者：郑梦莲 通讯单位：浙江大学 成果简介 准确的荷电状态（SOC）估算对锌基液流电池的安全高效运行至关重要。作为非侵入式电化学诊断技术，电化学阻抗谱（EIS）能深入解析电池内部电化学过程，展现出在SOC估算领域的应用潜力。然而，阻抗特性与SOC之间（特别是在温度和电解液流速变化条件下）尚未建立明确且稳定的关联性。本研究，浙江大学郑梦莲团队提出了一种基于EIS的创新SOC估算方法，填补了锌铁液流电池领域的研究空白。通过构建全面的阻抗响应模型，揭示了SOC与关键阻抗参数（包括欧姆电阻、电荷转移电阻、扩散电阻及弥散系数）之间的明显相关性。此方法展现出优异的估算精度，均方根误差（RMSE）和平均绝对误差均低于0.05。此外，作者团队深入分析了温度与电解液流速对估算算法的影响，明显提升了方法的鲁棒性、普适性和实际应用价值。因此，本研究提出的锌铁液流电池EIS基SOC估算方法，不仅具备高精度估算能力，更能在多种应用场景中实现广泛适用。 相关成果以“State of charge estimation in zinc‑iron flow battery based on electrochemical impedance spectroscopy with flow/temperature compensation”为题发表在Journal of Energy Storage期刊上。 感谢浙江大学郑梦莲团队（第一作者：赵伊健）校稿！ 本文所用 液流电池单电池测试系统 由武汉之升新能源有限公司提供 研究背景 电化学阻抗谱（EIS）是一种非侵入式电化学测量技术，通过施加小振幅正弦电压或电流作为扰动信号。与依赖电流–电压数据的传统等效电路模型（ECM）不同，EIS通过测量微小电压扰动引发的电流响应，捕捉宽频段内的阻抗响应，从而为电池内部的材料特性、界面现象及电化学反应提供丰富信息。具体而言，通过将阻抗数据与活性材料的特定物理化学变化相关联，EIS中的高频与低频扰动可分离出不同的电化学过程，例如电荷转移、扩散及离子传输。测量结果可通过适当的等效电路模型进行分析，其中特征阻抗参数能直观且定量地描述电池运行过程中物理现象与电化学动力学行为。近年来，EIS技术在电池阻抗特性研究和状态评估领域得到广泛应用。尽管基于EIS的荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）和温度估算技术在锂离子电池中已得到深入研究，但在氧化还原液流电池中的应用仍相对有限。 本研究建立了锌铁液流电池（ZIFB）的阻抗响应模型与等效电路模型。通过拟合和分析电化学阻抗谱（EIS）数据，推导出阻抗特性参数与电池荷电状态（SOC）之间的函数关系，从而实现SOC的精准估算。鉴于EIS测量结果会受温度和流速变化影响，作者团队系统研究了这些因素的影响，并修订了SOC估算公式以提升方法适用性。 核心内容 1.模型及模型验证   图1.EIS测试平台：(a)示意图；(b)照片 为验证所提模型的准确性，搭建了基于锌基液流电池的EIS测试平台，如图1所示。为了验证模型的准确性，选择了10种不同典型操作条件下的EIS数据进行拟合分析。首先，使用LinKK程序对测量的EIS数据进行Kramers-Kronig有效性检验。计算值与实测值的相对残差保持在1%以下，确保数据满足线性、时不变性和因果性要求。随后，通过Zview软件建立拟合模型（ECM），并采用最小二乘法对实验EIS数据进行拟合。如图2所示，通过比较拟合值与实测值评估模型精度，该图展示了四种不同条件下的结果。拟合优度通过卡方值（χ2）量化，χ2等于原始数据与计算谱线之间标准差的平方。 图2.不同工作条件下的奈奎斯特图：(a)40%SOC，30℃，100mL/min；(b)50%SOC，35℃，70mL/min；(c)60%SOC，25℃，90mL/min；(d)70%SOC，20℃，80mL/min 表1展示了在10种不同工况（涵盖不同SOC、流速和温度条件）下EIS测量的拟合优度评估结果。所有工况的χ2均小于1×10⁻³，表明模型预测与实验数据高度吻合，从而验证了该ECM在ZFBs中进行EIS分析的适用性。 表1不同操作条件下的卡方值 在拟合过程中，发现低频段的拟合误差略高于高频段。这种差异可能源于低频阻抗主要与活性物质的扩散过程相关，而该过程可能受到蠕动泵流量脉动的影响，会导致电极表面边界层厚度产生细微变化，进而影响扩散阻抗。此外，低频测量对外部因素（如仪器噪声）更为敏感，可能导致低频段出现相位漂移，从而略微扩大误差范围。尽管低频段拟合误差略高，但拟合结果仍符合扩散过程的物理原理，且不会明显影响模型的整体准确性。   2.SOC相关模型参数分析 为探究阻抗特性参数与电池荷电状态（SOC）的相关性，采用所提出的拟合模型（ECM），对电池在三种不同工作条件下的电化学阻抗谱（EIS）数据进行拟合分析。通过皮尔逊相关系数R值评估各阻抗参数与SOC的相关性强度，结果如图3所示。 表2-4展示了三种不同工作条件下的具体特征参数值。其中，欧姆阻抗Rohm会随着SOC值的增加而增大，而电极孔隙率与Rohm呈负相关。如之前的报道，随着沉积过程的持续，锌在电极纤维表面形成团聚体，导致纤维间隙缩小。因此，随着SOC值增加，更多锌沉积在电极表面，孔隙率降低，进而导致Rohm升高。弥散系数α与电极表面特性相关。随着锌在电极表面的持续沉积，电极表面粗糙度增加，导致α降低。电荷转移阻抗Rt受活性物质和稳态电位共同影响，其中电位是主导因素。随着SOC值增加，稳态电位升高，导致Rt降低。扩散阻抗Rw与活性物质的扩散过程相关，扩散层厚度的变化与Rw呈正相关。随着表面活性浓度（SOC）的增加，活性物质的浓度会降低，会导致扩散层厚度增大，进而使扩散阻力Rw值上升。虽然，本研究认为扩散阻力Rw的变化趋势主要反映了浓度依赖的边界层效应，但电极孔隙率因锌沉积而降低的现象，也可能间接导致传质受限。因此，孔隙率演变与扩散过程之间的潜在关联值得进一步探究。未来研究将采用多物理场建模技术，通过解耦这些相互作用的效应，从而更全面地理解各自的贡献机制。 图3.(a)20-80%SOC、20℃、80 mL/min条件下的奈奎斯特图；(b)20℃、80 mL/min条件下SOC与阻抗特性参数相关性分析；(c)20-80%SOC、30℃、100 mL/min条件下的奈奎斯特图；(d)30℃、100 mL/min条件下SOC与阻抗特性参数相关性分析；(e)40℃、60 mL/min条件下SOC与阻抗特性参数相关性的奈奎斯特图；(f)40℃、60 mL/min条件下SOC与阻抗特性参数相关性分析 表2 20℃、80 mL/min时的阻抗特性参数值

  第一作者：苏静雯 通讯作者：甘宁、林钰青 通讯单位：华东理工大学 成果简介 电荷调控离子传输是众多工业领域的重要机制，尤其在能源转换与存储应用中具有关键作用。受此启发，华东理工大学林钰青团队通过磺化聚醚醚酮）（SPEEK）与聚苯并咪唑（PBI）的离子交联技术，成功开发出新型离子传导膜（ICM），从而充分发挥离子电荷效应，明显提升钒氧化还原液流电池的性能。离子交联过程引发纳米相分离，促使离子通道聚集并产生电荷效应，不仅大幅提高了质子/钒离子的选择性，还实现了36.5 mS cm⁻¹的高效质子传输。经过优化的ICM在提升电池性能的同时，实现了更高的能量效率（EE：40-200 mA/cm²时91.1%–82.8%），并在500小时的1000次循环测试中，能量效率仍保持在78.9%（120 mA·cm²时）。本研究揭示了通过离子交联技术构建具有定制功能的埃级通道材料的潜力，为离子交联膜在快速能量转换、储能装置等领域的应用开辟了新路径。 相关成果以“Ionic crosslinking-induced nanochannels with fast proton-selective conduction in flow battery membrane”为题发表在AIChE Journal期刊上。 感谢华东理工大学林钰青老师校稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统 （YTH-1/LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 研究背景 精心设计的非共价相互作用，例如静电作用力、离子-π相互作用、π-π堆叠作用、氢键作用为纳米结构的精准调控提供了有效策略。迄今为止，科研人员已投入大量精力构建带电宿主–客体复合物的互连网络，以促进燃料电池和VRFB应用中的质子传输。例如，通过酸碱对间静电相互作用构建的膜材料，展现出优异的质子迁移率和对竞争阳离子的高选择性。然而，以往研究主要聚焦于通过调节膜基质内的电荷分布来优化性能，例如提升导电性和选择性。通过离子交联形成的孔道结构以及其背后的质子传输机制，目前仍缺乏足够深入的理解。因此，要推进高性能离子选择性增强膜的研发，必须从根本上理解单个离子通过埃级受限孔道传输的调控机制。 本研究通过SPEEK与PBI之间的离子交联作用，成功构建了纳米级孔道结构。两种具有相似线性分子结构但电荷相反的电解质离子聚合物通过离子交联聚集组装，实现了ICM的纳米相分离。磺酸基团与咪唑基团间的强酸碱相互作用，促进了有机网络中离子传导通道的形成（图1A）。最终制备的ICM不仅展现出优异的物理化学性能，更在电池应用中实现了性能突破。在VRFB系统中，配备优化ICM的单电池在40至200 mA/cm2下实现了能量效率的明显提高（EE:91.1-82.8%），并且在1000次循环和500小时内具有竞争力的长期稳定性（EE:120 mA/cm2时的EE:78.9%，优于VRFB中使用的市售离子膜。实验与理论分析均表明，ICM中的富氮通道展现出明显的离子电荷效应，使得钒离子在具有附加电荷时表现出优异的选择性。与此同时，磺酸基团的引入形成了额外的活性位点，促进了连续水合路径的形成，从而增强质子的吸附与跳跃能力。这种质子选择性通道与磺酸介导质子传输的双重协同作用，实现了快速高效的质子传导，充分展现了离子交联诱导的埃级通道在功能上的差异化特性。 核心内容 1.ICMs的理化表征 本研究通过SPEEK与PBI离子聚合物的交联作用，构建了具有埃级孔道结构的材料体系，如图1A所示。通过在主链引入游离磺酸侧链，对所得ICMs的本征结构进行调控。该改性策略旨在通过离子交联形成的纳米通道网络，构建高孔隙率结构，既能实现质子的快速传导，又能有效排斥钒离子（图1B和图1C）。因此，水分子更容易穿透膜结构，通过氢键间的跳跃式转移促进质子传导。 图1(A)SPEEK与PBI离子聚合物通过离子交联形成的ICM结构；(B)通过约5Å的埃级孔道实现选择性质子与多价钒离子传输的机制；(C)ICM电池的三维结构展示 图2A展示了原始PBI和ICM_M的傅里叶变换红外光谱（FTIR），可观察到对应磺酸基团（1219 cm⁻¹和1075 cm⁻¹）的特征峰（图2A）。为深入分析纳米相分离引发的聚合物基质聚集状态，采用小角X射线散射（SAXS）技术对膜材料的微观形貌进行表征（图2B）。在原始PBI中，研究人员观察到q=1.40 nm–¹处存在一个宽肩峰，归因于刚性主链相关的离子聚合物峰。此外，ICM_M样品在q=0.25 nm–¹处也检测到额外肩峰，对应由疏水性主链分隔的离子基团聚集形成的亲水区域，表明ICM基质中磺酸基团与咪唑基团之间成功实现了离子交联。正电子湮灭寿命谱（PALS）进一步揭示了两种纳米薄膜的自由体积分布差异。与原始PBI膜（孔径4.3Å）相比，ICM膜展现出更大的孔径（5Å）（图2C）。 图2膜材料的化学与物理表征：(A)800-1600 cm⁻¹波段原始PBI（蓝色）与ICM（红色）膜的FTIR-ATR光谱及其放大图；(B)PBI与ICM膜的动态光谱（SAXS）曲线；(C)基于脉冲光声光谱（PALS）表征的PBI与ICM_M膜自由体积半径；(D)原始PBI膜（上图）与ICM_M膜（下图）的相位模式原子力显微镜（AFM）测量结果；(E)原始PBI膜（上图）与ICM_M膜（下图）的高分辨率透射电镜（TEM）图像 本研究还采用原子力显微镜（AFM）相位成像模式和透射电子显微镜（TEM），系统考察了离子交联对表面微观结构的影响。由于链段的纳米相分离和协同缔合，原始PBI和ICM_M之间存在明显差异（图2D，E）。AFM和TEM的实验结果为此现象提供了明确证据：ICM_M呈现出明显的暗区与亮区分布，暗区对应亲水区域，亮区对应疏水区域。相比之下，原始PBI膜的相结构相对均匀，亲水区与疏水区之间缺乏清晰边界。ICM_M中观察到的纳米相分离现象，可归因于PBI的咪唑基团与SPEEK的磺酸基团之间形成的强离子交联作用。 2.ICMs的电化学表征 随着SPEEK离子聚合物磺化度从ICM_L提升至ICM_H，ICM的吸水率（WU）从26.4%明显提升至35.6%，充分说明磺酸基团具有强大的结合水吸附能力，能有效增强膜的亲水性并提升质子传导性能。但吸水率的同步增长也带来了明显的体积溶胀问题：ICM_H的体积分别比ICM_L和ICM_M膜增加了约32.6%和25.6%，可能对质子交换膜的实际应用性能产生不利影响。而且，通过在适当的磺化度下形成磺酸与咪唑基团之间的酸–碱离子交联，ICM_M中的基质溶胀得到有效缓解，溶胀比与原始PBI相当（图3A）。该机制在保持纳米相分离结构的同时防止过度溶胀。除吸水外，膜效率还明显受添加剂影响，其中离子交换容量（IEC）是评估的关键指标（图3B）。引入SPEEK后，ICM的IEC呈现逐步提升趋势，数值按原始PBI（0.05 mmol L⁻¹）<ICM_L（1.16 mmol L⁻¹）<ICM_M（1.30 mmol L⁻¹）<ICM_H（1.48 mmol L⁻¹）的顺序递增。 机械稳定性和化学稳定性是确保VRFBs组装和运行过程中性能稳定的关键参数。ICM的断裂应力和断裂伸长率反映离子聚合物链间相互作用强度的指标。随着SPEEK离子聚合物磺化度的增加而提升，ICM_M的数值分别达到60.6

  第一作者：王少晋 通讯作者：熊斌宇 通讯单位：武汉理工大学&武汉大学 成果简介 全钒液流电池（VRB）具有大规模储能的前景，但其长期性能往往受到离子迁移和自放电引起的电解质体积失衡的影响。现有的流量控制策略主要侧重于提高系统效率，但往往以牺牲容量保持率和系统稳定性为代价。在这项工作中，作者团队提出了一种新的流量控制策略，该策略集成了不对称和可变流量控制策略，以动态抵消循环过程中的电解液迁移。这种不对称变流量（AVF）策略基于达西定律的高保真VRB模型，该模型通过结合粘度、流量和电解液迁移体积的影响来表征电解液体积的变化。通过该模型，建立了电荷状态与电解液粘度之间的直接联系。然后，作者团队使用启发式方法制定并求解约束优化问题，以实现自适应流量调节。实验验证表明，所提出的AVF控制策略在显著减少电解液迁移、提高放电容量和减缓容量退化方面优于现有策略，为提高VRB寿命和效率提供了一条实用途径。 相关成果以“Asymmetric variable flow-rate control enhances capacity and efficiency in vanadium redox flow batteries”为题发表在Journal of Energy Storage期刊上。 感谢武汉理工大学熊斌宇团队（第一作者：王少晋）供稿！ 本文所用 液流电池单电池测试系统 由武汉之升新能源有限公司提供 研究背景 尽管以往的研究在电解液传输行为及解决全钒液流电池（VRBs）容量衰减的方法方面提供了宝贵的见解，但在考虑更多控制目标和实际约束条件下优化VRB性能仍然在很大程度上未被充分探索。过去的文献提供了多种提升VRB性能的解决方案，尤其是通过对电解液迁移机制的详细分析。一方面，尽管在若干研究中提出了可变流量（VF）控制策略，但主要关注点仍在优化流道因子（FF），对如不平衡缓解等更广泛的性能目标关注较少。另一方面，尽管不对称流量策略已有研究探索，但现有方法依赖于预先确定的优化流量，无法实现实时调整。这些不对称恒定流量（ACF）策略缺乏适应性，限制了显著提升VRB性能的潜力，尤其在缓解电解液交叉和延长系统寿命方面。这一局限性在VRB大规模电网应用中构成了实际部署的挑战，因为稳定性能、耐用性和可靠性对于经济可行性至关重要。 为解决这一问题，武汉理工大学熊斌宇团队提出了结合不对称与可变流量操作的新型基于模型的新型启发式控制策略，以提高VRB的容量保持率和效率。首先，基于达西定律建立了电解液体积变化的动态模型，并对内在的电解液传输机制进行了全面分析。通过实验验证，确认了该模型的准确性。基于该模型，提出了一种不对称可变流量（AVF）控制策略，根据荷电状态（SOC）的变化动态调整两侧的流量，以抵消电解液迁移。通过分析关键性能指标，包括电解液体积变化、单电池电压、开路电压（OCV）及电池健康状态（SOH），对该策略的可行性和有效性进行了评估。实验结果证实，所提出的AVF策略显著减少了电解液迁移，提升了放电容量，并改善了整体系统性能。 核心内容 1.电解液体积迁移模型 图1:电解液体积变化的原因和机制 了解驱动电解质迁移的机制对于开发有效的流量控制策略以提高电池性能至关重要。研究团队给出了导致电解液体积变化的所有原因和机制，如图1所示。在电荷和质量平衡模型中，引起电解液体积变化的因素包括质子转移、离子交叉和水分子迁移。质子转移和离子交叉都受到电场驱动的电渗透力的影响。在力的作用下，质子穿过膜，每个质子携带2.5个水分子。钒离子也携水通过膜扩散（V2+·6H2O, V3+·6H2O, VO2+·5H2O, and··4H2O）。同时，质子转移和离子交叉在膜上建立浓度梯度，从而通过渗透压驱动水迁移。先前的实验研究表明，电渗透阻力在长期循环中导致的净体积迁移可以忽略不计。因此，在长时间的运行过程中，渗透压成为电解液从负极向正极累积转移的主要原因。正负极电解液的粘度与电池的荷电状态（SOC）如图2所示。体积迁移模型控制框架由两个主要阶段组成，如图3所示。 图2:正负半电池中电解质粘度μ与荷电状态的关系 图3:提出的VRB系统控制策略框架 2.实验验证 研究团队构建了一个实验室规模的VRB实验平台，如图4所示，并用于验证所提出的模型。该平台由VRB系统（武汉之升新能源有限公司）、电池充放电测试仪组成。单电池VRB系统由一个VRB单电池、两个电解液罐和两个蠕动泵组成。 图4:单电池VRB实验平台 图5:模型验证结果。(a)电压分布图；(b)电压预测误差；(c)可用容量与周期数；(d)容量误差与周期数。 图5(a)比较了在恒流1.8 A下整个充放电周期内的测量电压和估计电压。图5(b)为仿真与实验的电压误差，最大误差小于0.04 V。图5(c)为200个周期内的可用容量对比，图5(d)为相应的容量误差，误差在3%以内，发生在测试周期接近尾声时。结果表明，该模型与实验观测结果吻合较好，能较准确地捕捉到VRB的动态特性。 值得注意的是，模拟没有考虑到Nafion膜的短期水合/膨胀行为特征，这解释了在前5-10次循环中实验观察到的电解质体积的快速初始稳定。该模型反映了离子传输和水交叉的长期累积效应，导致指数稳定性较慢。 图6(a)显示了200次充放电循环中正负电解质体积水平的照相记录。图6(b)显示了测量和模拟的电解质体积变化，图6(c)显示了相应的体积误差。排除活化阶段，误差不超过总电解质体积的约3%。总体而言，仿真结果在电压、可用容量和两侧电解质体积变化方面与实验数据非常吻合，从而验证了所提模型的准确性和可靠性。 图6:长期实验结果。(a)放电结束时电解液体积水平的照相记录；(b)正负极槽中测量和模拟电解质体积的比较；(c)电解质体积预测在测量和模拟数据之间的误差。   3.结果与分析 在VRB系统中，传统和最广泛使用的策略是采用恒定的、适当大小的流量。为了减轻电解质体积迁移，本文引入了一种非对称流量控制策略。下表给出了基于传统CF策略和本文提出的AVF策略的表达式。  图8(a)显示了不同λ值下CF策略下的四个性能指标。λ1,opt = 2时SE最大值为0.6953。超过此点，进一步增加λ会导致泵损显著上升，导致SE在λ = 3时减小。同样，图8(b)显示了不同λ=2值下AVF策略下相应的效率指标。在λ2，opt =

  第一作者：吴明晓 通讯作者：田忠贞 通讯单位：内蒙古科技大学 成果简介 紫精化合物是水系有机氧化还原液流电池（AORFBs）领域的潜力候选材料，但在氧气存在时易发生加速降解。本研究，内蒙古科技大学田忠贞团队设计了一种水溶性异丙基紫精（Ipr-Pyr），利用空间位阻效应抵御OH–的亲核攻击，从而降低氧气影响。在氮气环境下，Ipr-Pyr/K4Fe（CN）6电池稳定运行100次循环，平均库仑效率（CE）达90.5%，电压效率（VE）为69.2%，能量效率（EE）为62.9%。单次循环容量衰减率仅为0.114%。而且，当循环次数达到30次时，Et-Pyr/K4Fe（CN）6电池容量仍保持在约0.2mAh。实验结果表明空间位阻效应在降低AORFBs中氧气影响方面具有明显优势。 相关成果以“Steric hindrance of viologen: Enabling aqueous flow batteries in inert environments”为题发表在Journal of Energy Storage期刊上。 感谢内蒙古科技大学田忠贞团队（第一作者：吴明晓）校稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统 （YTH-1/LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 研究背景 紫精是AORFBs的理想候选材料，已得到广泛研究。大多数关于水系液流电池的研究在手套箱条件下实现了稳定运行。然而，氧气的存在会导致OH−的亲核攻击，降低分子稳定性，使得电池难以实现实际应用。从热力学角度看，氧气可氧化阳极电解液中活性物质的充电状态，导致严重的容量衰减。动力学上，高反应活性中间体（如紫精自由基）与氧气的反应速率较高（k>106M−1s−1）。放电/充电过程中还原态物质中的氧还原反应会导致电解质的pH值变化，不利于紫精的化学稳定性。最新研究表明，通过增加空间位阻或使用有机相作为支撑电解质等方法基于紫精的液流电池可在手套箱外运行。Mohapatra等人展示了一种可在惰性条件下（无需手套箱）运行超过100次循环的纳米有机四氯化物液流电池（NAORFB，日容量衰减率为6.09%。Wang等人采用了一种新型N环状季铵基接枝紫精分子–（DBPPy）Cl4。经过数百次充放电循环后，（DBPPy）Cl4电池的容量保持率仍然很高，表明具有优异的循环稳定性。Sanz等人合成了一种新型紫精（BS3Bu-Vi）。在72小时的测试中，BS3Bu-Vi的容量衰减率为每小时0.15%，明显低于BSPr-Vi的每小时0.45%，证实了BS3Bu-Vi具有更高的稳定性。通过在N-取代基的α位引入烷基，可以阻断立体电子效应的攻击，从而提高紫精衍生物的稳定性。 图1.OH–亲核攻击对紫精的脱烷基化反应机理 本研究合成了紫精衍生物Ipr-Pyr和Et-Pyr。从分子工程角度分析，通过在紫精的N位取代基上引入异丙基基团，可增加空间位阻并降低OH–对氮原子的亲核攻击，从而明显提升材料稳定性。反应机理如图1所示。在氮气环境下（无需手套箱），Ipr-Pyr/K4Fe（CN）6电池经100次循环测试后仍保持稳定性能：EE达62.9%，VE为69.2%，CE为90.5%；单次循环平均衰减率仅为0.114%。相比之下，在相同条件下，Et-Pyr/K4Fe（CN）6电池在第20次循环时便出现快速衰减现象。实验结果表明Ipr-Pyr/K4Fe（CN）6电池展现出比Et-Pyr/K4Fe（CN）6电池更优异的稳定性。 核心内容 图2展示了Ipr-Pyr和Et-Pyr的合成路径。4,4′-联吡啶与异丙基发生亲核取代反应，生成异丙基紫精碘离子。通过置换反应，异丙基上的碘离子被硝酸根离子取代，得到硝酸异丙基紫精（Ipr-Pyr）。Et-Pyr的合成原理与此相同，用硝酸根离子替代碘离子后，异丙基紫精在水中的溶解度明显提升。从分子工程角度分析，在N位取代基α位引入Ipr-Pyr结构，可有效抑制空间电子效应的干扰。这种空间位阻的增强，能明显提升紫精衍生物的稳定性。 图2.Ipr-Pyr和Et-Pyr的分子结构及合成路线 通过密度泛函理论（DFT）计算得到Ipr-Pyr的最低未占分子轨道（LUMO）和最高占分子轨道（HOMO）能量水平，如图3所示。Ipr-Pyr的ELUMO为-3.17 eV，EHOMO为-8.29 eV，Eg能级为5.11 eV。Et-Pyr的ELUMO为-3.19 eV，EHOMO为-8.33 eV，Eg能级为5.13 eV。Ipr-Pyr的Eg能级与Et-Pyr相近，表明二者可能具有相近的还原电位和相似的电化学行为。 图3展示了Et-Pyr2+和Ipr-Pyr2+的H/L能级分布 为验证异丙基的位阻效应，计算了反应位点的暴露表面积。图4展示了Ipr-Pyr与Et-Pyr的价电子密度分布。在乙基吡咯的α-C原子核上，A/B位点的暴露面积较大，更容易被OH−攻击。相比之下，由于异丙基的位阻作用，异丙基吡咯α-C原子核上A/B位点的暴露面积明显减少。实验结果表明引入异丙基可明显增强位阻效应，从而提升异丙基紫精的稳定性。 图4.Et-Pyr与Ipr-Pyr的价电子密度分析。 紫精的N原子被OH⁻进行亲核攻击是导致其降解的主要原因。通过Multiwfn软件对IprPyr和Et-Pyr的N原子表面特性进行内部电荷分离（Pi）分析，结果如表1所示。Ipr-Pyr中两个氮原子的Pi值分别为1.913721 kcal/mol和1.907659 kcal/mol。Et-Pyr中两个氮原子的自由能分别为5.398544kcal/mol和5.358874kcal/mol。与Et-Pyr的N原子相比，Ipr-Pyr的N原子内部电荷分离程度更低，表明其内部电荷分布更为均匀。正负电荷间的相互作用力更加平衡，对外界干扰的敏感度也更低。研究发现，异丙基团会产生物理屏蔽效应，使反应位点的溶剂可及性降低79%，OH−接触概率减少65%。因此，Ipr-Pyr体系表现出更高的稳定性。 表1 Ipr-Pyr和Et-Pyr原子表面特性的Pi 通过循环伏安法（CV）研究了电化学性质。Ipr-Pyr的CV曲线显示了两对可逆氧化还原峰。Ipr-Pyr2+/+的第一氧化还原电位为−0.48Vvs.Ag/AgCl，而Ipr-Pyr+/0的第二氧化还原电位为−0.65V vs.Ag/AgCl。Et-Pyr的CV曲线也显示出两个可逆的一电子氧化还原过程：Et-Pyr2+/+的理论氧化还原电位为−0.53V vs. Ag/AgCl，而Et-Pyr+/0的理论氧化还原电位为−0.81V vs. Ag/AgCl（图5a)。CV数据还表明，IprPyr和Et-Pyr表现出相似的电化学特性，与能量水平计算结果高度吻合。与EtPyr相比，Ipr-Pyr的氧化还原电位更正，主要是因为异丙基体积较大，导致吡啶环之间的空间位阻增加，从而削弱了共轭效应。在电化学工程方面，Ipr-Pyr第一组峰的可逆性更好，意味着过电位较小，因此能获得更高的EE。经过100次循环后，Ipr-Pyr2+/+的曲线几乎不变，表明Ipr-Pyr具有良好的电化学稳定性，如图5b所示。 此外，当扫描速率从0.1V/s提升至0.5V/s时，观察到峰值电流呈现渐进式增长。如图5c所示，氧化还原峰的位置基本保持稳定，且Ipr-Pyr2+/+的首次还原态未出现峰分离现象，表明Ipr-Pyr体系具有优异的可逆性和稳定性。在不同扫描速率下，峰值电流与扫描速率平方根的关系曲线均呈现线性特征，扩散系数和电子转移常数显示，Ipr-Pyr2+/+和Ipr-Pyr+/0两种氧化还原电对均属于可逆且受扩散控制的氧化还原过程（图5d)。 一个典型的液流电池使用溶解于1M

  第一作者：黄泽波博士 通讯作者：谢兴博士、伍建军教授 通讯单位：桂林电子科技大学 成果简介 流场是钒液流电池(VRFB)的重要组成部分，其合理的尺寸对电池的性能有着重要的影响。因此，本工作创新性地研究了在保持横截面积不变的情况下均匀改变流道的宽度和深度对电池性能的影响。该研究考察了不同几何形状对电解质流动均匀性、浓度梯度和肋下对流的影响。结果表明，当通道宽度为1.2mm，对角线为1.46mm时，电池性能最佳，泵浦功率最低，基于功率的电压效率最高。在电流密度为80mAcm-2、流速为120mLmin-1和180mLmin-1的情况下，电压效率最高达到91.53%和92.34%。此外，本工作提出了一个结合几何参数和性能指标的经验公式，以描述性能变化的内在原因。该公式可以预测和优化流场设计，并通过实验数据验证了其有效性。该研究为VRFB流场结构优化提供了理论参考。 相关研究成果以“Enhancing Vanadium Redox Flow Battery Performance through Optimized Flow Field with Rib-Induced Forced Convection: A Numerical Investigation”为题发表在“Journal of The Electrochemical Society” 感谢桂林电子科技大学黄泽波博士供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统 （YTH-1/LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 研究背景 对可持续和可再生能源解决方案的推动产生了对先进储能系统的巨大需求。液流电池因其大规模储能的容量和设计灵活性而被认为是不同技术中的潜在替代方案。钒液流电池(VRFB)通过不同价态钒离子变化能量的存储与释放，确保了电解质之间没有交叉污染，使得它们在电网储能和可再生能源集成等长期应用中特别具有优势。 VRFB由两个含有不同价钒离子的电解液罐组成，由离子交换膜隔开电解液在电池内部循环，在电极表面发生电化学反应，实现充放电循环。电池内部流场的设计是一个关键因素，它会显著影响电池系统的传质、压降、和整体效率具体来说，蛇形流场(SFF)由于能够确保电解液在电极表面的均匀分布而被广泛使用。然而，在保持恒定横截面积的情况下，流道尺寸的变化会极大地影响VRFB的流体力学和电化学性能。通过探索和优化这些变化，可以实现电池性能和功率密度的提高。使VRFB在商业应用中更加可行。 在全球范围内，大量的研究工作都是针对优化VRFB 的流场设计，以提高其性能并降低相关成本。在最近的研究中，对流道几何形状的各种修改，如改变尺寸、引入多孔结构和采用新型材料进行了研究。例如，Guo 等人研究了纵横比和通道数量，以减少多孔电极中电解质的停滞面积。Wang 等人用8 种不同的梯形截面模拟了蛇形流场，有效地降低了压力和泵功率损失。Shikha等人通过六种不同截面的流场设计研究了参数间的变化趋势和耦合关系。Xu 等人提出了一种分形树状流道，以增强多孔电极中的对流，提高RFB 的最大放电功率。Wang 等人改变了三种流场通道的截面，其中半圆形通道截面设计的活性物质分布均匀性最高。Pan 等人通过蛇形流场宽度的梯度设计增强了出口区域的肋对流强度。Chu 等人为多孔电极设计了可变横截面，并评估了不同的交叉流场分布对电池性能的影响。Huang 等人在主流通道上添加障碍物，以增强电解质向各支路的分流效果。Wei 等人改进了传统的蛇形流场，增加了相邻流道之间的压差，提高了电池的能量效率。尽管流场设计取得了重大进展，但此类设计往往面临诸如反应物分布不均匀和流动条件改善有限等挑战。 本研究通过在1 ~ 1.5 mm 范围内均匀改变蛇形流道宽度(SFW)，研究了不同SFF 截面几何形状对VRFB 性能的影响。这项工作旨在分析性能指标，包括肋下对流、活性物质分布均匀性和多孔电极中的电解质通量。为了提高电池的整体性能和寿命，将改善传质和降低压力损失为目标。通过广泛的模拟验证，本研究寻求更深入地了解VRFB中的流体动力学和电化学相互作用，最终有助于开发更高效和商业上可行的电池系统。 核心内容 在本研究中，设计了VRFB 的三维稳态数值模型基于目前广泛使用的蛇形流场，它结合了流体动力学、传质、和电化学反应的原理来研究电池系统中复杂的关系，为了满足本次调查中使用的主要标准，通道尺寸变化的影响(同时保持恒定的截面面积) 流动分布、压降、浓度梯度和电解质通量。该设计保持1 mm2的横截面积不变，改变通道的宽度和深度尺寸，宽度从1 mm增加到1.5 mm，如图1a 右侧所示，对应于本作品中使用的符号(SFW-10 至SFW-15)。深度从1 mm减少到0.67 mm，对角线从1.41 mm 增加到1.64 mm，整体设计如图1b-1c 所示，其反应原理如图1d-1e所示。通过保持截面积不变，保证了电解液流速不变。通过分析不同宽度和深度的流场结构对电解液肋下对流和压降分布的影响，寻求通道几何形状、传质效应和电池整体性能之间的关系。 仿真使用仿真软件COMSOL Multiphysics 6.2进行。网格独立性研究评估了六种配置(59,411-806,407个单元)，以确保解决方案的可靠性。651,107个单元的网格被选为最优，离散化误差低于1.8%，平衡了计算效率和工程精度要求。其基本组件包括具有特定流场的双极板(活动面积为20 mm×20 mm)，端板，集热器板，离子交换膜，碳毡和用于存储正负极电解质的罐，如图1d和1e所示。