July 13, 2026

第一作者：余飞林 通讯作者：梁沛祺 通讯单位：重庆大学 DOI：10.1016/j.est.2026.123270 感谢重庆大学梁沛祺团队（第一作者：余飞林）校稿！ 工作简介 本研究设计了中心静脉流场（CVFF）和中心叉指流场（CIFF），中央供液结构显著缩短了流路长度，相较于传统流场可降低高达77%的压力降，并实现更均匀的速度场与局部电流密度分布。这种传输路径与电化学活性的重新分配抑制了入口主导的锌积聚现象，促进了多孔电极内部空间分布式的沉积过程，从而有效缓解长期循环中的孔隙堵塞问题。在中性锌铁液流电池中，CIFF结构在150mA cm⁻²下实现了长达270小时（超过800次循环）的稳定运行，较传统叉指流场结构延长了35%；同时将峰值功率密度提升约12.8%，并在前600次循环中将平均EE从66.4%提高至78.2%。经过长时间循环使用后，计算机断层扫描显示传统指状结构中存在严重的锌聚集现象及孔隙堵塞；而CIFF则保留了纤维状电极框架，且锌沉积造成的堵塞程度降低。此外，在锌–有机液流电池中，CIFF使平均EE提高了5.1个百分点，表明适用于多种锌混合化学体系。结果表明合理的中心进料流场设计能够调控物质传输与锌沉积过程、缓解孔隙堵塞，并提升锌混合液流电池的耐久性。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 锌混合液流电池的性能由电解质、电极、膜以及双极板等各组分的共同作用所决定。其中，流场尤为关键，因为它决定了电解质的传输、反应物的分布以及多孔电极内的电化学活性。在锌基系统中，因为在负极上会发生反复的沉积和溶解。当电解液分布出现空间不均时，局部电流密度往往会集中在特定区域，从而加剧锌沉积的不均匀性、降低孔隙可及性并加速循环过程中的极化现象。随着电池运行时间延长，这些效应会不断累积，最终可能导致严重的局部堵塞、电压波动异常以及性能提前衰减。因此，流场结构不仅是一个结构设计要素，更是决定锌混合液流电池中物质传输不均匀性、反应定位特征以及锌沉积行为的核心因素。 核心内容 1.对流场结构的初始电化学响应 图1.具有不同流场结构的双极板 为研究流场结构对电池性能的初始影响，采用四种不同流场结构（即SFF型、IFF型、CVFF型和CIFF型）的双极板进行实验。使用这些双极板组装中性锌铁液流电池，并在150mA cm⁻²及约40%SOC下通过短周期充放电测试进行评估。 图2.不同流场结构的中性锌铁液流电池在150mA cm-2及约40%SOC下的初始电化学性能 配备传统IFF和SFF结构的电池充电电压明显更高，其中SFF结构电池的充电电压最高；相比之下，基于CVFF和CIFF结构的电池在整个充电过程中均保持较低充电电压，CVFF最低，为1.40V。 此外，所有电池在初始循环后均表现出接近99%的CE。相比之下，VE和EE则表现出显著的流场依赖性：基于CVFF和CIFF的电池VE迅速提升后稳定维持在80%以上，其中CIFF结构电池的EE略高于CVFF结构；而基于IFF的电池在VE和EE上均呈现波动，SFF结构电池则先上升后逐渐下降。由于CE保持相近，EE的差异主要源于VE的相应变化。初步结果表明中心进料流场能在重复循环中提供更稳定的电化学环境，而传统结构则更容易出现传质与反应分布不均的问题。 1.1模型确认 图3.不同流场结构的中性锌铁液流电池模拟与实验充放电曲线对比 对于基于CVFF和CIFF的电池，模拟曲线在充电和放电过程中均与实验结果高度吻合，相对偏差低于5%；基于SFF和IFF的传统电池同样表现出良好的一致性，表明该模型能够准确反映四种结构在测试条件下的主要电化学响应特征。无论是中心供液型还是传统流场型系统，模拟结果与实验数据均高度匹配，证明耦合模型充分描述了该体系中的传质与电化学过程。 1.2中心供料流场中的物料再分布 图4在60mL·min⁻¹流速下，不同流场结构条件下负极处的速度分布 基于CVFF和CIFF结构的电池中，电解液从中心进入并径向扩散至整个电极表面，从而实现更均匀的速度分布且出口流速更低；而传统的SFF型和IFF型则采用角进料结构，将流入的电解液限制在较狭窄的传输路径内，导致速度分布不均。CVFF和CIFF结构中超过80%的区域流速低于0.02m s⁻¹，而传统流场中存在大量局部流速接近0.04m s⁻¹的区域，表明中心进料设计能更均匀地实现电解液在整个多孔电极中的分布。 图5不同流场结构下负极水力与电化学特性的比较 传统SFF和IFF的压降分别约为1196.5Pa和1022.8Pa，而CVFF和CIFF的压降则分别降至约252.6Pa和230.8Pa。较低的水力损失不仅有利于降低泵能耗，还能为多孔电极内部提供更理想的传输环境。此外，传统SFF和IFF的平均过电位分别为−25.4mV和−25.9mV，而CVFF和CIFF的数值则分别降至−23.2mV和−23.1mV，表明中心供液结构有效缓解了由极化损耗引起的局部传输限制问题。 图6流场结构对中性锌铁液流电池中物质传输的影响 充电过程中，基于CVFF和CIFF的电池中Zn²⁺与Fe(CN)₄⁶⁻的体积平均浓度下降更为平缓，而Fe(CN)₃⁶⁻的浓度变化趋势亦类似，表明反应物在电极表面分布更为均匀，而非在优选反应位点附近出现快速局部耗竭。放电过程中1190秒时Fe(CN)₃⁶⁻的空间分布也证实了这一点。 图7.不同流场结构下负极局部电流密度分布 在基于CVFF和CIFF的电池中，入口附近的局部电流密度维持在约500A m⁻²；而基于SFF和IFF的电池中相应数值则超过800A m⁻²。强烈的入口局部电流密度表明电化学活性集中于入口区域，会加速活性物质的消耗并导致锌沉积不均匀。   2.长循环性能与结构演变 图8.采用IFF和CIFF的中性锌铁液流电池长循环电化学性能 在相同电流密度下，CIFF的极化值低于IFF，差异也体现在相应的功率输出上：基于IFF的电池在电流密度为530mA cm⁻²时达到峰值功率密度390mW·cm⁻²，而基于CIFF的电池在570mA cm⁻²时可提供440mW cm⁻²的峰值功率密度，增幅达12.8%。结果表明中心馈电设计不仅能在中等工作条件下降低传输损耗，还能在高电流需求下实现更优的电化学利用效率。此外，长循环测试表明基于IFF技术的电池仅能保持稳定运行约200小时，相当于约600次循环；而在相同条件下，基于CIFF技术的电池可在超过800次循环中持续稳定工作，续航时间长达270小时。两种电池在整个循环过程中的CE均保持较高水平，表明主要区别并非源于电荷平衡差异，而主要体现在VE方面：基于CIFF的电池始终维持更高且更稳定的VE，而基于IFF的电池则随循环次数增加呈现逐渐下降趋势。同时，前600次循环中，基于IFF的电池平均EE为66.4%，而基于CIFF的电池达到78.2%，提升了11.8个百分点。   3.对锌有机液流电池的适用性 图9.采用IFF和CIFF的锌–有机液流电池电化学性能 锌有机体系的电化学响应与中性锌铁液流电池中观察到的整体趋势一致。在长期循环测试中，配备IFF的电池其充电电压始终高于相应的CIFF基电池，表明中心进料设计还能降低该电化学体系中的极化现象。两种锌有机液流电池在整个循环过程中均保持较高的CE，表明两种结构在电荷平衡方面并无显著差异；相比之下，基于CIFF的电池VE始终高于基于IFF的电池，直接决定了其更高的EE。 核心结论 本研究基于荷花叶片结构设计了中心主脉流场与中心–指状流场，用于调控锌混合液流电池中的物质传输与锌沉积过程。通过综合运用多物理场建模、电化学测试及计算机断层扫描表征技术，结果表明相较于传统的蛇形流场和指状流场结构，中心供液架构能重新分配电解质在多孔电极上的分布路径，缩短物质传输距离，并降低水力损失。这种传输路径的优化还能有效调节局部电流密度分布，抑制入口处主导的锌积聚现象，从而缓解长期使用中导致的孔隙逐渐堵塞问题，保障电池的长期性能稳定。

第一作者：钱彭华 通讯作者：钱彭华，张农 通讯单位：徐州工程学院 工作简介 磺化聚醚醚酮（SPEEK）质子交换膜因分子结构可调、热稳定性优异、生产成本低廉，在全钒液流电池（VRFB）领域具备广阔应用前景。但高磺化度 SPEEK膜虽质子传导能力优异，钒离子阻隔性能却较差，这是制约其实际应用的核心瓶颈。针对该问题，本文采用共价键合改性策略，以二乙烯三胺为交联剂，在高磺化度聚醚醚酮（HDS-SPEEK）分子主链上接枝交联支链，制备两性交联膜（CS-S）。共价交联网络可显著提升薄膜力学性能；膜内两性官能团可构建酸碱相互作用，在界面处构筑高效质子传输通道，协同提升质子传导率，同时大幅抑制钒离子跨膜渗透。其中CS-S-0.2样品综合性能最优，质子传导率可达 33.3mS·cm-1，离子选择性高达 21.3×103S·min·cm -3。全钒单电池测试结果表明，装配 CS-S-0.2 膜的电池在 200mA·cm-2电流密度下能量效率超过 66%，自放电时长可达 75.2 h；在 150 mA·cm-2条件下完成 500次充放电循环，库仑效率稳定维持在 98.0±1%，能量效率稳定为 76.5±1%。本研究证实，支链共价交联与界面酸碱协同双重调控可同步优化SPEEK 膜质子选择性传输性能，为高性能质子交换膜的设计与制备提供一种简洁新颖的技术思路。 感谢徐州工程学院钱彭华团队供稿！ 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 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 在“双碳”发展目标驱动下，高效储能技术是间歇性可再生能源实现大规模、稳定并网的关键支撑。全钒液流电池（VRFB）凭借超长循环寿命（＞10000次）、无燃爆高安全性、功率与容量可独立调控等独特优势，成为电网级储能、分布式储能场景的核心储能技术。质子交换膜（PEM）是全钒液流电池的核心核心部件，需同时满足三项核心功能：隔离正、负极钒电解液，避免钒离子交叉污染引发容量衰减；实现质子选择性定向传输，保障电池导电性能；耐受强酸、强氧化长期服役环境，维持长效运行稳定性。薄膜性能直接决定电池的能量效率、循环寿命与综合生产成本。 理想质子交换膜需同时兼具高质子传导率、低钒离子渗透率、优异力学强度与耐氧化化学稳定性。目前商用Nafion系列薄膜存在钒离子透过率高的缺陷，且售价昂贵，占电池总成本 20%~30%，严重限制全钒液流电池规模化推广应用。磺化聚醚醚酮（SPEEK）成本仅为 Nafion膜的 1/5，热稳定性优异（玻璃化转变温度＞180 ℃）、机械强度高，且可通过调控磺化度灵活调节质子传导性能，是最具潜力的 Nafion替代材料。但高磺化度 SPEEK薄膜虽质子传导性能提升，却会发生过度溶胀、尺寸稳定性下降，亲水离子通道扩张，加剧钒离子跨膜渗透，最终造成电池效率持续衰减。 为突破该瓶颈，科研人员开发了多种以构建界面相互作用为核心的改性手段。通过共混、复合氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNTs）、金属有机框架（MOFs）等功能材料，依靠氢键与静电作用构筑质子选择性传输通道，并借助唐南排斥效应阻隔钒离子渗透。其中，两性功能化改性（在同一分子链同时引入酸性、碱性官能团）可在分子尺度实现界面协同效应。例如 Zhao 等人将两性氧化石墨烯 – 多巴胺纳米颗粒掺杂至 SPEEK 膜中，在 200 mAcm-2电流密度下将电池能量效率提升至 68.6%；徐智课题组采用溶液共混法，将高结晶磺酸化共价有机框架材料（STpPa）引入聚苯并咪唑基体。共价有机框架本身的孔道结构可为PBI 提供更多质子传输通路，末端酸性基团可促进氢键网络构建，同时空间位阻效应赋予复合膜更优异的离子选择性。但上述简单物理共混改性主要依靠非共价作用力结合。全钒液流电池长期运行工况严苛，体系存在2~3 mol・L-1强硫酸酸性环境与 V5+/V2+强氧化还原体系，易造成掺杂组分官能团溶出、两相界面脱粘，使膜性能持续衰减，难以满足长循环寿命的使用需求。 针对界面稳定性不足的问题，本文提出一种共价交联改性策略。以二乙烯三胺为交联剂，借助羰基二咪唑（CDI）活化高磺化度 HDS-SPEEK 上的磺酸基团，在膜内构筑共价键合侧链交联网络（CS-S）。该改性方案具备双重优势：其一，共价键键能较高（约300-400 kJ·mol-1），可保障膜在苛刻工况下的结构稳定性，规避非共价相互作用易解离的缺陷；其二，二乙烯三胺中的亚氨基（-NH-）可与基体磺酸基团（-SO3H）形成酸碱离子对，既为质子传输提供通道位点，又可通过电荷排斥作用阻挡钒离子透过。 本文系统探究二乙烯三胺用量对 CS-S两性膜化学结构、微观形貌、理化性能及全钒液流电池性能的影响，重点分析交联度与两性官能团对质子传导机理、钒离子渗透行为的作用规律。研究旨在验证共价交联与酸碱相互作用协同体系可有效改善 SPEEK 膜性能此消彼长的权衡效应，为长寿命、高性能质子交换膜在全钒液流电池中的工业化应用提供理论依据与技术支撑。 核心内容 2.1 实验原料 聚醚醚酮（PEEK，维克 450 PF）、98%浓硫酸用于后磺化法合成 HDS-SPEEK；二甲基亚砜（DMSO）、二乙烯三胺、N,N’– 羰基二咪唑（CDI）均采购于麦克林试剂，采购后未经提纯直接使用，用于制备 CS两性交联膜。 2.2 高磺化度 SPEEK（HDS-SPEEK）的合成 向配备磁力搅拌器与集热式恒温加热装置的三颈烧瓶中加入100 mL质量分数 98% 浓硫酸，常温氮气保护下缓慢投入10 g聚醚醚酮（PEEK）颗粒。待体系形成均一深红色溶液后，升温至 50 ℃恒温反应 70 min。反应完成后，将混合液快速倒入冰水浴中并剧烈搅拌，析出白色纤维状沉淀物；静置沉降后收集沉淀物，用去离子水反复洗涤至pH接近中性，充分干燥后得到黄色纤维状固体，所得产物磺化度（DS）为 75%。 2.3 两性功能化 CS-S 聚合物制备 CS-S两性膜采用先活化、后交联的两步法合成，合成路线如图 1 所示。首先称取 2.00 g高磺化度聚醚醚酮（HDS-SPEEK）置于50 mL锥形瓶中，加入 20 g二甲基亚砜（DMSO），机械搅拌至完全溶解，得到均一溶液。随后在氮气保护下向体系加入 0.9 mmol（0.15 g）羰基二咪唑（CDI），65 ℃搅拌 4 h，完成磺酸基团的活化处理。再分别加入不同用量的交联剂二乙烯三胺（0.1、0.15、0.2、0.3 g），维持 65 ℃继续反应 4 h，使活化后的SPEEK分子链之间形成共价交联结构。反应结束后，用去离子水多次充分洗涤产物，除去未反应原料，最后于80 ℃烘干，得到 CS-S 两性膜。对应二乙烯三胺添加量 0.1、0.15、0.2、0.3 g制备所得膜样品，分别命名为 CS-S-0.1、CS-S-0.15、CS-S-0.2、CS-S-0.3。 图1 CS-S交联聚合物合成路线示意图 2.4 CS-S两性膜的制备 取一定量CS-S溶于二甲基亚砜（DMSO）中，配制质量体积分数12.0% 的铸膜液。经搅拌、60℃恒温加热 12 h并脱泡处理后,将铸膜液浇铸至规格10 cm×10 cm×0.5 cm的不锈钢模具内；先于80℃干燥24 h，再升温至100℃干燥12 h。溶剂完全挥发后，将模具浸泡于去离子水中剥离得到完整均相膜，随后将膜置于2 mol·L-1硫酸溶液中浸泡酸化处理，最后存放于去离子水中备用。HDS-SPEEK膜采用相同制备工艺制得。 2.5 表征测试方法 已有前期研究概述了HDS-SPEEK与CS-S两性膜的化学结构、微观形貌、力学性能、理化特性及全钒液流电池性能，相关详细数据见支撑材料。   3 结果与讨论 3.1 CS-S两性膜结构表征 本研究以高磺化度磺化聚醚醚酮（HDS-SPEEK）上的磺酸基团为反应位点，接枝交联侧链构筑交联网络结构，使膜在高吸水条件下仍具备良好尺寸稳定性。在CS-S膜体系中，二乙烯三胺同时充当接枝剂与离子交联剂构建交联结构，限制分子主链的旋转运动，降低膜的溶解性能。HDS-SPEEK膜可溶于 N,N–二甲基甲酰胺（DMF）与二甲基亚砜（DMSO）；引入交联侧链后，CS-S两性膜在 DMF中仅发生轻微溶胀，在 DMSO 中也需长时间搅拌才会溶解，说明其结构稳定性得到提升。为系统研究二乙烯三胺交联改性对膜微观结构的影响，本文采用氢核磁共振谱（H