August 22, 2026

第一作者：王世慧 通讯作者：李世友 通讯单位：兰州理工大学 工作简介 钒氧化还原液流电池（VRFB）被认为是最有前景的大规模储能技术之一。然而，它的广泛应用一直受到电极上 V3+/V2+动力学迟缓的限制。本文开发了一种界面工程策略，将电场松弛与原位催化剂沉积协同结合，以实现电场松弛调控，在石墨毡上均匀分布活性位点的电极表现出高效的电催化活性，同时抑制了析氢副反应。通过这一策略，构建了稳定且高活性的电极/电解液界面，为高性能电极的工程设计和VRFB系统的大规模应用提供了一种可扩展的方法。 感谢兰州理工大学李世友（第一作者：王世慧）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 VRFB中电池堆的高成本仍然是限制其在储能市场大规模部署的核心瓶颈。针对电极的各种改性策略也已经进行了探索，包括掺杂异质原子如氮和磷、负载碳基材料如碳纳米管和石墨烯。这些策略的目的是引入活性位点并增加比表面积，从而增强钒的电荷转移动力学。特别是，将铋颗粒负载到电极上引起了广泛关注，因为它们具有出色的催化活性、在酸性电解液中的稳定性以及操作简便性。目前，将铋基催化剂引入石墨毡（GF）的方法主要集中在热还原和连续电沉积两大类，但存在反应条件苛刻、能耗高等局限。然而，连续沉积模式容易导致催化剂颗粒在局部聚集，导致基底某些区域覆盖不完整。因此，需要开发一种在电极上负载均匀催化剂的技术方法。 核心内容 1.电极的SEM和TEM表征 图1 (a) GF, (b) CBi-GF 和 (c, d) IBi-GF的SEM图; (e) C and (f) Bi的EDS图; (g) TEM; (h) HRTEM; (i) FFT图 采用扫描电子显微镜（SEM）对样品的表面形貌进行了表征。GF表面（图1a）呈现光滑平整的质地，未见任何沉积物。经恒电流沉积后，CBi-GF样品表面显示出团聚堆叠的块状沉积物，还散布着未沉积的光滑区域，这直接反映了由于电沉积动力学不可控所导致的铋催化剂高度不均匀分布。IBi-GF样品表面沉积物均匀地分散在整个碳质纤维上。此外，放大图像（图1d）清晰地显示出Bi催化剂层均匀且疏松的包覆形貌。同时，C和Bi的元素分布图像明确表明碳和沉积Bi相的均匀分布。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像表明，IBi-GF电极上的Bi具有明确的晶体结构，测得的晶面间距为0.33 nm与金属Bi的(012)晶面完美吻合。   2.各电极的材料表征 图2 (a) XRD图; (b) 拉曼; (c) GF的XPS C1s谱; (d，e) 电极的Bi4f 谱; (f) 各电极的N2 吸附; (g) GF, (h) CBi-GF和(i) IBi-GF 在负极电解液中图片和接触角 图2a比较了不同电极的XRD图谱，GF电极在25.60°和42.70°处呈现出两个明显的特征衍射峰，分别归属于(002)和(100)晶面。另外，CBi-GF和IBi-GF电极在27.16°处观察到了Bi的特征峰，表明Bi催化剂已在GF上负载。此外，与CBi-GF电极相比，IBi-GF电极中Bi信号强度更高。相比之下，CBi-GF电极沉积不均匀，大尺寸Bi颗粒发生团聚。拉曼光谱（图2b）显示所有电极样品均在~1355 cm-1和1580 cm-1处表现出明显的D带和G带，分别对应于结构缺陷和有序石墨化结构。IBi-GF具有更显著的结构缺陷和无序度。 如图2c所示，GF的高分辨率C 1s谱图被解卷积为五个不同的峰。此外，在CBi-GF和IBi-GF样品中均检测到明显的Bi特征峰对应于Bi […]

第一作者：王宏达 通讯作者：叶强 通讯单位：上海交通大学 DOI：10.1016/j.est.2026.124060 感谢上海交通大学叶强团队（第一作者：王宏达博士）校稿！ 工作简介 本研究开发并验证了一个二维模型用于评估铁铬液流电池（ICFB）的性能，重点在于优化薄电极设计以及电压效率与泵送功率之间的权衡关系。该模型揭示了电极厚度与系统性能之间存在非单调关系：采用厚度为0.5mm的电极可最优地平衡活化损失与欧姆损失。针对这种薄电极设计，本文采用一个包含泵功损失在内的综合效率指标来评估电化学性能与泵功损失的综合影响。当电解液流速为15mL min⁻¹（表观流速为1.7cm s⁻¹）时，可实现最佳状态。为模拟实际流场，将交指型流道间距建模为等效流通距离；在固定面积流速为1.67mL min⁻¹ cm⁻²的条件下，2.5cm的等效流通距离最能协调反应物供给与泵功损失之间的关系。此外，虽然较高的电流密度可提高功率输出，但会因极化效应增强而降低可利用容量。表面浓度分布分析表明正极反应集中在膜附近；而缓慢的铬电化学反应动力学则要求负极内存在更宽广的反应区域。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 ICFBs最初由美国国家航空航天局（NASA）于20世纪70年代中期开发，如今已被公认为电网级储能系统中的领先候选方案。然而，商业化应用仍受到铬氧化还原反应动力学缓慢（Cr³⁺/Cr²⁺）以及由寄生析氢反应导致的容量衰减问题的制约。目前已有大量实验研究致力于克服这些局限性并提升ICFB的性能。例如，通过添加氨基酸添加剂对电解液进行改性已被证明可抑制析氢反应，从而改善容量保持率和能量效率。与此同时，诸如元素掺杂和原位催化剂沉积等电极改性策略被广泛采用，以加速铬氧化还原反应的缓慢动力学过程并提升循环稳定性。 核心内容 1.模型验证与网格无关性测试 图1.(a)实验数据与仿真结果的对比；(b)在80mA cm⁻²、60mL min⁻¹条件下的网格独立性验证 仿真结果在较宽的SOC范围（0.1–0.9）内与实验数据吻合良好，证实了该模型能够准确预测ICFB电池的行为特性。存在的微小差异主要源于模型所采用的简化假设，例如忽略气体析出侧反应以及Cr²⁺与Fe³⁺之间的交叉反应。然而，在单次充放电循环中，离子交叉效应极小，且与气体析出反应相关的电流通常占总电流的不到1%。因此，简化假设预计不会对本研究中的分析结果产生显著影响。 为平衡数值精度与计算成本，开展了一项网格无关性研究。在SOC=0.5时，采用五种不同网格（单元数范围从2231到90193个）对负极中放电电压及Cr²⁺浓度的网格敏感性进行了评估。当网格尺寸超过22675个单元时，计算结果趋于收敛。与最细的网格相比，放电电压和Cr2+浓度的相对误差分别约为0.01%和0.001%。因此，为所有后续模拟选择了包含22675个单元的网格。   2.电极厚度的影响 图2.不同电极厚度对SOC=0.5及100mA cm⁻²时电池电压的影响：(a)充电电压；(b)放电电压 对于所有电极厚度，充电电压均随电解液流速的增加而降低，表明增强的电解液供给可减小充电过程中的浓度极化。同样，放电电压随流速的增加而升高，证实了改善反应物供给有利于提升电池性能。。然而，在较高流速下，继续提高流量带来的电压改善逐渐减弱，表明当电解液供应充足时，传质限制效应已得到明显缓解。 厚度为0.10mm的电极具有最高的充电电压和最低的放电电压，表明极化损失最大，主要是因为过薄的电极导致电化学活性面积和反应体积不足，从而引发较高的局部反应速率并增大活化极化。将电极厚度从0.10mm增加至0.50mm可显著降低充电电压并提高放电电压，表明更大的反应区域能有效降低活化损失并提升电池性能。然而，继续增加电极厚度并不能持续改善电压性能。与0.50mm电极相比，较厚的电极延伸了离子传输路径，增加了多孔电极内的欧姆电阻，使欧姆损失成为极化的主要因素。因此，当电极厚度过大时，放电电压会降低。此外，当流速超过20mL min⁻¹时，即使最厚的电极其表面流速仍高于5.5mm s⁻¹，满足电化学反应的基本要求，表明在所研究的流速范围内，传质损失并非主导电压变化的主要因素，从而使电极厚度对活化损失与欧姆损失的影响能够更清晰地区分出来。电极厚度对电池性能的影响呈非单调性；在所考察的电极厚度中，0.50mm厚的电极在所研究的流速范围内实现了活化损失与欧姆损失之间的最佳平衡，从而展现出更优的整体电压性能。因此，本研究将0.50 mm作为后续分析中优选的电极厚度。   3.入口流量的影响 图3.(a)入口流量对ICFB电压的影响；(b)电池的电压效率及含泵效率随入口流量的变化关系 随着流速的增加，充电电压降低，而放电电压略有上升，反映了电化学性能的提升。在最低流速（10mL min⁻¹）下，系统呈现出明显的传质限制行为，导致充电末期电压急剧上升、放电末期电压急剧下降；相反，在较高流速（≥15mL min⁻¹）下，电压上升速率减缓，表明传质限制问题已得到很大程度缓解。尽管较高的电解液流速可确保充足的反应物供给从而提高电压效率，但同时也增大了电极两端的压降，显著增加了循环泵的泵功损耗，揭示了增强传质与增加泵功损失之间存在一种固有的权衡关系。因此，需开展进一步分析以探究电解液流速的变化如何同时影响电池性能与泵功损失。 此外，随着流速增加，反应物向碳纤维表面的供给量增强，促进了电化学反应的进行，从而减小了浓差极化并提高了电压效率。然而，当流速超过某一临界值后，浓差极化的降低作用逐渐减弱，电压效率的提升速率开始放缓。包含泵功的效率最初随流速增加而上升，但最终会下降。此趋势的出现是由于在较高流速下，电压效率的提升幅度逐渐减小，而泵功损失则以加速态势增长。因此，在实际应用中，采用15mL min⁻¹的电解液流速（对应于1.7cm s⁻¹的表观流速）可在电池性能与泵功损失之间实现最优平衡。而且，在实际电池电堆系统中，表观液流速度高于1.6cm s⁻¹即足以有效促进气泡排出，从而限制气体积聚及其对电池性能可能产生的影响。   4.薄电极下叉指型通道间距的影响 图4.交指型通道间距对面积流速为1.67mL min⁻¹ cm⁻²时的单电极ICFB性能的影响：(a)间距不同时、电极间距为0.5mm时的充放电电压分布曲线；(b)对应的电池电压效率与包含泵送功的效率 将通道间距从1.0cm增加至2.5cm可明显降低充电电压并提高放电电压，表明极化效应减弱且电池性能得到改善。性能提升在充电和放电接近结束时尤为明显，因为此时反应物耗尽程度更为严重。然而，当通道间距进一步增大至5.0cm和7.5cm时，额外的电压提升幅度趋于有限，表明增强质量传输所带来的效益逐渐趋于平稳。此外，电压效率随通道间距增大而升高，随后趋于稳定。相比之下，包含泵功的效率先升高后降低。此趋势反映了电化学性能提升与泵功损失之间的权衡关系。较大的通道间距可提高电解液流经电极的流速，从而改善反应物利用率；然而，也延长了电解液流经多孔电极的流道长度，导致更大的压降和更高的泵送损耗。在当前单位面积流量条件下，约2.5cm的通道间距在电压效率与泵功损失之间实现了最佳平衡。结果表明对交指型通道间距进行精细优化对于薄型电极而言至关重要。   5.工作电流密度的影响 图5.电流密度对ICFB电压分布的影响 充电电压随电流密度的增加而显著升高，表明过电势增大；而在较低电流密度下，过电势较小，从而降低了极化损耗并提高了电压效率。为抑制有害的析氢副反应，ICFB电池需采用适当的充放电截止电压进行操作。当充电截止电压设定为1.15V时，充电深度随电流密度的增加而减小：从50mA cm⁻²时的90.6%降至100mA cm⁻²时的83.8%、150mA cm⁻²时的76.6%，以及200mA cm⁻²时的仅67.0%。同样，在放电截止电压设定为0.8V时，放电深度从50mA cm⁻²时的89.4%降至200mA