July 23, 2026

第一作者：苗昱聪，高大为，戴亚月 通讯作者：段昊泓副教授（清华大学）；邵明飞教授（北京化工大学）；栗振华教授（北京化工大学） 通讯单位：北京化工大学、清华大学 DOI：10.1038/s41467-026-75866-0 工作简介 液流电池作为一种大容量、长时储能技术，为可再生能源消纳及电网调峰调频提供了一条具有竞争力的技术路径。然而，传统液流电池面临电解液成本较高且盈利模式单一等挑战，限制了其大规模应用。为解决上述挑战，北京化工大学邵明飞、栗振华课题组与清华大学段昊泓课题组合作，提出了一种开路液流电池（open-loop flow battery，缩写为OLFB），将钒液流电池正极电对（VO2+/VO2+）的还原和氧化过程，分别与一系列有机物电催化氧化和电解水析氢反应耦合，实现在放、充电同时联产高附加值化学品（有机氧化产物）和燃料（氢气），打破了传统液流电池“闭路循环”（closed-loop）技术框架，实现了绿色储能与绿色合成一体化。例如，将VO2+/VO2+正极与乙二醇电催化氧化反应（放电过程）和电解水析氢反应（充电过程）配对，所制开路液流电池最大功率密度达238.4 mW cm–2，电压效率和能量效率均超过100%，放、充电过程联产乙醇酸和氢气，在200次以上的循环测试中保持了良好的稳定性。此外，证明了该开路液流电池在耦合反应类型和正极电对种类等方面均具有普适性。例如，13种有机物（如醇类、醛类等）的电氧化反应可与放电过程配对；多种典型液流电池的正极电对（如Fe3+/Fe2+、[Fe(CN)6]3–/[Fe(CN) 6]4–、MnO4–/MnO42–、TEMPO‑OH等）均适用于该体系。进一步开展工程化研究，设计了光伏驱动的开路液流电池，模拟白天充电、夜间放电的应用场景，开展了为期10天的连续测试。最终，在充放电的同时，共获得532.2 g纯度达97.2%的乙醇酸和272.9 L氢气，表明了其应用潜力。技术经济分析表明，该开路液流电池的平准化电力成本（LCOE）为–0.26 美元/千瓦时（$/kWh；即存储一度电带来0.26 美元的收益），低于美国能源部设定的储能成本目标（0.05$/kWh），具有可观的经济竞争力。 在本工作基础研究支撑下，团队积极开展了应用基础研究，在化工资源有效利用全国重点实验室衢州基地——衢州资源化工创新研究院建成了首台套千瓦时级撬装式概念验证装置。该装置有效储能（按8000 h计）年均可达2.08 MWh，放电端乙二醇氧化制备乙醇酸0.406 kg h−1（年产1.624吨），充电端的副产氢气228 L h−1（年产912 Nm3），联产化学品的放电比能量为1.31 kWh kg−1，储能–化学品联产比产率为0.56 kg kWh−1，并委托中国石油和化学工业联合会组织专家通过了72 h现场运行考核。  图1. 不同液流电池体系的示意图 感谢北京化工大学栗振华教授团队（第一作者：苗昱聪博士）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 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 近年来，能源脱碳的需求推动了可再生能源发电技术的快速发展。然而，可再生能源的间歇性特点使其难以实现持续稳定的电力供应，亟需发展大容量、长时储能技术，以保障其平稳并网。氧化还原液流电池（RFB）凭借高效率、高安全性及长寿命等优势，已成为一种颇具前景的大规模储能技术。传统RFB的充放电功能依赖于正、负极电解液中氧化还原电对的耦合，其电解液以闭路方式持续循环。尽管液流电池技术历经多年研究并已开展一定规模的应用示范，但其广泛商业化仍受制于高昂的成本。一方面，RFB的盈利模式单一，主要依赖电网峰谷电价差获取收益；另一方面，其系统成本（尤其电解液）居高不下，以技术最成熟的全钒液流电池为例，系统成本约为447 $/kWh，其中钒电解液占比高达40%。虽然当前在新型有机/无机氧化还原电对、电解液添加剂、pH解耦系统以及高性能离子交换膜等方面已开展了大量前沿研究，但RFB的高成本问题仍未从根本上得到解决。因此，亟需发展成本更低、盈利模式更多样的新型RFB体系。 核心内容 1. 液流电池“开路”模式的可行性验证 如图2a所示，乙二醇、甘油等醇类有机物和葡萄糖、糠醛等醛类有机物的理论氧化电位均低于全钒液流电池负极V3+/V2+电对和铁铬液流电池Cr3+/Cr2+电对的电位。因此，将这些有机物与传统正极电对配对后，理论上可获得比传统液流电池更高的电池电压。进一步对系列典型正极电对与有机物（作为负极底物）氧化进行电化学测试，结果表明有机氧化反应的起始电位分布在–0.91 V至0.48 V（vs. SHE）之间，且典型正极电对与有机氧化反应之间均存在较大的电位差，理论上配对后能够实现电池放电（图2b–c）。组装了OLFB器件并进行了极化曲线与开路电压测试，表现出较高的功率密度，其中乙二醇氧化表现出最高的峰值功率密度，烯醇和醛类作为氧化也展现出优异的性能。值得注意的是，与近期报道的有机液流电池和无机液流电池相比，OLFB的开路电压（OCV）具有显著竞争力。其中，配对多元醇分子氧化的OLFB的OCV在1.6–1.9 V之间，而配对醛类分子氧化时，由于其氧化电位极低， OLFB的OCV可大于2.1 V（图2d–e），显示出在放电电压方面的显著优势。 图2. OLFB的放电可行性验证及其性能优势   2. OLFB性能展示 本工作进一步将传统液流电池充电过程中的负极电对替换为析氢反应（HER），并将放电过程中的负极电对替换为乙二醇氧化反应（EGOR），由此构建了一种可逆的EGOR/HER||VO2+/VO2+ 构型OLFB（图3a–b）。如图3c–d所示，该OLFB在20–150 mA cm–2的电流密度范围内展现出良好的放电性能，充放电容量稳定在约41 Ah L–1，库伦效率（CE）接近100%。在20 mA cm–2电流密度下，其电压效率（VE）和能量效率（EE）甚至超过100%，并在20–50 mA cm–2范围内优于传统全钒液流电池。产物分析表明，放电过程中乙二醇可选择性地氧化为乙醇酸；随着电流密度从20 mA cm–2升至150 […]

第一作者：王文丰、刘宇峰 通讯作者：张杰&黄明保&傅志勇 通讯单位：华南理工大学 DOI：10.1021/acsaem.6c01153 感谢华南理工大学梁振兴团队（第一作者：王文丰）校稿！ 工作简介 本文提出一种双位点设计策略，合成了一种具有两个季铵中心和羟基官能团的双吡咯烷基络合剂（N2EDP），以实现对溴物种的高效捕获与溴电解液管理。通过静电作用，N2EDP可捕获多溴阴离子形成(N2EDP(Br2n+1))2复合物，增大分子尺寸从而抑制多溴化物跨膜穿梭。密度泛函理论计算证实，该双位点络合剂比传统单位点络合剂MEP具有更强的多溴化物结合能力及更高的负溶剂化自由能，显著提升络合稳定性和水相兼容性。电化学测试表明N2EDP可使Br3–的扩散系数降低61%，溴物种跨膜渗透率下降87.9%。锌溴液流电池在50% SOC下可实现74.1 Ah L-1的放电容量，且在50次循环中保持100%容量；在60% SOC时，最大操作容量可达86.1 Ah L-1。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 锌溴液流电池具有高的能量密度、低的电解液成本等优势，是一种极具潜力的电化学储能技术。然而，正极电解液中溴物种易挥发与跨膜传输，导致电池库伦效率和循环稳定性不足。在电解质调控领域，一种简单有效的策略是使用添加剂捕获溴化合物。季铵阳离子（如MEP、MEM）常被用作电解液中的络合剂。阳离子与多溴阴离子（Br2n+1⁻）结合，可降低“游离”溴的浓度并抑制其跨膜渗透。此外，MEP具有刚性的环状骨架和带正电荷的单氮中心，增强了其与多溴阴离子的络合亲和力，并促进在电解液中形成稳定的络合物（如[MEP⁺][Br2n+1–]）。因此，通过减少溴的渗透，电池的电流密度得到提升，使MEP成为高性能锌溴液流电池开发中的主要研究焦点。然而，所形成的络合物亲水性较差，在电池循环过程中会引发油相或固相的形成，可能污染膜表面，导致内阻增加。更关键的是，在高溴浓度条件下，此类产物的过度积累甚至可能堵塞电极孔隙，形成反应死区，最终影响电池性能。 核心内容 1.络合物结构与形成机制 图1. (a)MEP及双吡咯烷基化合物的分子结构；(b)络合剂（MEP、N2MDP或N2EDP）与Br2n+1–之间的相互作用分子模型；(c)络合物的结合能；(d)络合物的溶剂化自由能。 所研究络合剂的分子结构如图1a所示。双位点分子N,N′-二（甲基）-1,5-二溴戊烷二铵吡咯烷（N₂MDP）和N,N′-二(2-羟乙基)-1,5-二溴戊烷二铵吡咯烷（N2EDP）是通过N-羟乙基吡咯或N-甲基吡咯与1,5-二溴戊烷进行霍夫曼烷基化反应合成的。密度泛函理论计算显示N2MDP(Br3)2和N2EDP(Br3)2的相互作用能（Eint）分别为–53.96 kJ mol⁻¹和–75.77 kJ mol⁻¹，低于MEPBr3计算值–23.43 kJ mol⁻¹。对于Br5⁻配合物也观察到类似趋势：双位点试剂表现出比MEPBr5更负的相互作用能。结果表明双位点结构能够实现更强的络合，与溴化物形成更稳定的络合物。此外，计算得到的溶剂化自由能（ΔGsolv）显示基于N2MDP和N2EDP构建的复合物均比MEP复合物具有更负的值，表明水相相容性显著增强。同时，N2EDP(Br2n+1)2复合物的ΔGsolv始终低于N2MDP(Br2n+1)2，证实羟基修饰进一步增强了亲水性。因此可以推断，双位点结构与羟基修饰共同作用，增强了多溴化合物的结合能力并改善了水相相容性，从而促进了均相多溴化合物的形成。 图2:（a）Br2n+1–、MEP+、MEPBr2n+1、N2EDP2+和N2EDP(Br2n+1)2的静电势图；（b）Br2n+1–、MEPBr2n+1和N2EDP(Br2n+1)2的分子体积；（c）显示络合时键角畸变的优化几何形状；（d）不同Br2比例的N2EDP的1H NMR光谱（D2O） 静电势分布图显示当与Br3⁻或Br5⁻形成复合物时，N2EDP2+的表面静电势显著降低，表明双阳离子中心增强了电荷中和作用。增强的静电相互作用进一步体现在所得复合物的分子体积上：具体而言，N2EDP(Br3)和N2EDP(Br5)2的分子体积分别为724.5 Å3和872.2 Å3，分别是MEPBr3（298.3ų）和MEPBr5（372.5 Å3）的两倍以上。N2EDP与多溴化物物种之间的静电吸引力可导致键角发生显著收缩。复合后，Br3⁻键角从180.0°减小至176.77°，而Br5⁻键角则从94.95°减小至87.43°。结构畸变直接证明了强静电结合的存在。进一步，1H核磁共振谱显示随着溴浓度增加，N2EDP的质子共振信号向低场方向移动，反映了与Br2n+1⁻阴离子之间静电相互作用产生的去屏蔽效应。 2.络合行为与效果 图3.(a)对照溶液（4.0mm ZnBr2+4.0mmBr2）与实验溶液（2.0mm ZnBr2+4.0mm Br2+2.0mm N2EDP）的循环伏安曲线；(b)在无/存在MEP或N2EDP条件下溴在多孔聚烯烃膜中的渗透性；(c)电解质溶液（3M ZnBr2+2M KBr）在不同SOC（10–50%）下无/有N2EDP或MEP时的状态。 在不含Br2的电解质中，添加N2EDP对CV曲线、扩散系数和动力学常数均未产生显著影响，表明添加剂不会改变Br⁻/Br2的固有氧化还原机制或动力学特性。相比之下，在含有4.0 mM ZnBr₂和4.0 mM Br2的电解质中，添加N2EDP会导致还原峰电流显著降低。根据Randles-Sevcik方程计算，不含N2EDP时Br3⁻的扩散系数为1.365×10⁻5cm2 s⁻1；加入N2EDP后该值降至5.323×10⁻6cm2 s⁻1（降幅达61%），下降归因于形成了更大且更稳定的N2EDP-多溴化物复合物，从而限制了溴物种的扩散。 在多孔聚烯烃膜中的渗透性测试显示与无添加剂对照组（2.001×10⁻5cm2 s⁻1）相比，MEP处理后的渗透性降至4.750×10⁻6cm2 s⁻1，而N2EDP处理后进一步降至2.427×10⁻6cm2 s⁻1，较对照组降低87.9%。结果表明与N2EDP的络合作用显著增大了溴物种的有效分子尺寸，从而比MEP更有效地抑制其跨膜迁移。 电解液在10%至60%SOC范围内的显微图像显示在N2EDP存在时，可观察到两种明显现象：(i)电解液颜色显著变浅；（ii）溶液上方溴蒸气浓度明显降低。观测结果直观证实了N2EDP对溴化合物具有强亲和力。此外，该系统实现了61.1 Ah L-1的高容量，突显了双位点羟基改性设计策略的有效性。 3.多溴化合物转化与分布 图4(a)不含添加剂以及添加MEP或N2EDP时在50% SOC下的拉曼光谱；(b)不同SOC下N2EDP的拉曼光谱 拉曼光谱显示在不含添加剂的对照组中，对应Br3⁻和Br5⁻的对称伸缩峰分别出现在约175.8 cm⁻1和260.7