August 2026

第一作者：罗嘉劼 通讯作者：赵天寿、韩美胜、李文甲 通讯单位：南方科技大学 DOI：10.1002/aenm.71330 感谢南方科技大学赵天寿院士团队（韩美胜老师）校稿！ 工作简介 本综述系统分析了四种关键RFB构型，钒基、锌基、铁基及有机体系在催化剂改性方面的进展。通过将性能提升与特定电化学活化动力学相关联，确立了明确的机理路径。具体而言，钒基RFBs利用原子尺度缺陷工程和铋中心催化来加速反应动力学；锌基体系采用亲锌纳米结构（如氧化铜）以确保均匀成核并抑制枝晶生长；铁基架构则整合了高析氢过电位材料（如铅和铋）以抑制副反应；最后，有机RFBs侧重于先进的表面功能化，以最大化活性位点密度和稳定性。通过综合这些策略，本研究为优化不同RFB架构下的电极功能提供了全面指南。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 电极材料的改性已成为提升RFBs性能、进而降低其成本的关键策略。电极改性的主要目标是在确保电解质高效传输（渗透性）的同时，最大化活性位点密度与比表面积。尽管在结构设计中两者之间存在固有的权衡关系，但实现二者间的平衡至关重要。在实际运行过程中，电池性能常受浓度极化、电化学极化和欧姆极化的影响。上述三种极化现象的共同作用会显著影响RFBs的EE、功率密度及循环寿命。这些极化行为可通过多种策略有效缓解，例如：调控CF电极的活性位点密度、优化离子反应动力学、增强材料的本征性能。总体而言，这些方法可大致归类为电极材料的宏观结构调控与微观表面催化剂改性。关于宏观结构调控现有研究已十分丰富，其商业应用也相对成熟。本研究的核心目标在于平衡电极的SSA与渗透性。此外，此类调控措施对系统性能的影响在不同RFB体系（如全钒型、铁基型、锌基型及有机型）中均表现出高度的普适性，且变化幅度相对较小。作为对比，微观表面催化剂改性则显示出显著的系统依赖性：不同的氧化还原电对需要定制化的电极催化材料才能充分发挥其固有优势。因此，本研究系统分析了不同RFB体系下表面改性催化剂的相容性特征及其独特的电化学活化机制。 核心内容 1.不同氧化还原对的的活化机制 在不同的RFB体系中，电极催化活性并非一个与体系无关的内在参数；相反，是由活性物种的电化学特性以及负载于电极表面的催化剂的具体类型和构型共同决定的。基于传统的热处理、化学处理和电化学处理方法，引入先进的催化层可引发CF电极的体系特异性重构。此过程从根本上改变了其表面形貌、官能团分布、缺陷密度及润湿性。在某些改性场景下，经工程化处理的电极主要通过提供特定吸附位点和加速电子转移动力学来提升反应速率；而在其他体系中，性能的提升则更多依赖于稳定的碳骨架和高导电网络以支撑催化层，或借助界面调控来抑制金属枝晶生长、副反应以及非均匀溶解/沉积问题。 1.1VRFBs VRFBs是迄今为止商业化应用最成功的流电池，其正负极均采用不同氧化态的钒离子作为活性物质。在充电过程中，负极电解液（储存在负极隔室）中的V³⁺被还原为V²⁺，而正极电解液中的VO₂⁺则被氧化为VO2+；放电过程中则发生相反反应。这些氧化还原反应主要发生在多孔碳电极表面。因此，电极界面是钒物种动态吸附、电子转移和离子传输的关键平台然而，在实际系统中，VO2+/VO₂⁺和V2+/V3+在电极上的反应通常面临诸多挑战，例如催化活性不足、电解质对电极的润湿性或附着力较弱等问题，问题会导致电荷转移动力学缓慢及显著的极化现象，从而限制了电池整体EE与功率性能的进一步提升。为实现更高效率的VRFBs，研究人员已投入大量努力以增强电化学活性与传质效率。 1.1.1 V3+/V2+氧化还原反应 在VRFBs的研究中，与正极的VO2+/VO₂⁺反应相比，负极的V³⁺/V²⁺的氧化还原动力学在低比表面积电极上尤为迟缓。在玻碳等平面表面材料上，负极的速率常数k₀仅为1.7×10⁻⁵ cm/s，低于正极上的7.5×10⁻⁵ cm/s。尽管采用碳纸等高比表面积材料可改善正极和负极的动力学性能，但负极的k₀仍增至1.13×10⁻³ cm/s，增幅达两个数量级，表明增加有效表面积是突破负极动力学瓶颈的关键途径。然而，通过采用高比表面积电极来提升动力学性能的做法，会带来与系统稳定性之间的关键权衡，特别是涉及副反应HER的问题。热力学上，在50%SOC下，负极电势比氢气参考电势低约350mV。这种不稳定性因电解液中高浓度的硫酸而进一步加剧。此类副反应不仅会引发正负极电解液之间的价态失衡，还成为容量衰减的主要诱因。实验数据表明虽然高比表面积材料能显著提升功率密度，但析氢速率也会相应增加。即使在理想条件下，寄生反应仍可能要求每周对系统进行约1%的重新平衡维护。因此，开发能够将动力学加速与析氢过程解耦的先进电极改性策略，对于提升大规模应用中的EE及降低维护频率具有迫切的实际意义。由此可见，理想的负极改性策略必须同时满足两个看似矛盾的要求：既要显著增大比表面积以增强动力学性能，又要有效提高析氢过电位以抑制副反应。 在相似的测试条件下，Bi可被视为最具潜力的金属催化剂之一，归因于其独特的电子结构及适宜的析氢过电位。研究表明铋能够通过多种机制显著降低负极反应的活化能。如图1a所示，在充电过程中，铋纳米球可与电解液中的水发生反应，生成BiHx中间体；该中间体随后将V³⁺还原为V²⁺，从而加速电子转移过程。此外，晶体晶面工程是提升铋催化活性的重要策略。Yu等人的研究发现，通过原位电化学还原制备垂直排列的铋纳米片可暴露更多(012)晶面。基于密度泛函理论（DFT）的计算显示，(012)晶面的结合能为−3.96eV。根据惯例，数值越负表示吸附状态越稳定，因此该结合能显著低于传统铋的(110)晶面（−2.78eV）和碳的(0001)表面（−0.57eV）。优化后的钒物种吸附能可提供更丰富的活性位点，并显著增强反应动力学。Zhang等人也报道了类似的垂直结构：在碳纤维表面原位生长出垂直碳纳米片阵列，并将Bi纳米点限制在这些纳米片内。该设计摒弃了传统的无序堆叠模式，转而利用垂直立式几何特性来构建畅通的离子传输通道。多物理场仿真结果证实与传统的曲折微结构相比，垂直阵列可为钒离子提供路径平直且曲折度较低的通道，从而使反应物能够通过最短路径从体电解质扩散至电极深处的固液界面。除促进主反应外，铋基催化剂还能在高电位下有效抑制负极处的HER副反应，对提升电池的CE和长期运行稳定性至关重要。Xing等人近期发表的研究提供了极具代表性的视角：他们设计了一种氮掺杂碳载体上的铋单原子催化剂（Bi SAs/NC@CF）（图1c），该催化剂通过形成稳定的Bi-N₄配位结构显著增强了电极的催化活性。该研究从定量角度清晰阐明了[V(H₂O)₆]³⁺/[V(H₂O)₆]²⁺氧化还原过程中的脱溶剂化步骤及内层反应机理，如图1c所示。理论计算进一步证实与传统铋纳米颗粒相比，Bi-N₄活性中心能更有效地促进钒离子的脱溶剂化过程（图1d，e）并降低反应能垒。得益于单原子尺度的精确工程设计，所组装的单体电池在240mA/cm²下实现了81.1%的EE，且5kW级电堆在400次循环内仍保持优异的稳定性。最终，铋单原子负载可最大化原子利用效率，并通过抑制纳米颗粒中常见的沉积–溶解现象来保障结构稳定性。 图1 (a)Bi在CF上的催化机理示意图；(b)Bi纳米片在CF上进行原位电化学还原过程的示意图；(c)催化剂设计原则，突显了Bi单原子相较于Bi纳米颗粒在[V(H₂O)₆]³⁺/[V(H₂O)₆]²⁺反应中的优势；(d)Bi纳米颗粒在Bi NPs/NC中的结构；(e)Bi SAs/NC中的Bi–N₄基团结构 除了铋基材料外，其他过渡金属及其化合物也被广泛探索用于负极改性，表现出独特的活化机制。近年来，由于MXenes等二维材料具有优异的电导率和结构可调控性，在VRFBs负极应用中崭露头角。Chen等人通过氮掺杂策略调控了Ti3C2Tx MXene的碳层结构（图2a）。具体而言，将Ti3C2Tx-TPA与氯化铵按质量比1:15、1:25和1:35混合，分别制备了Ti3C2Tx-N/l、Ti3C2Tx-N/m和Ti3C2Tx-N/h，这些样品代表了MXene晶格内氮含量依次递增的序列。研究发现，引入氮原子不仅引发了MXene晶格畸变，还诱导了局部电子结构的重排（图2c–i）。这种结构调控效应不仅显著增强了电荷转移过程，还明显改善了电极的亲水性（图2b）。因此，改性后的电极即使在高达250mA/cm²下也能保持较高的工作效率。除了二维材料外，金属化合物催化剂，如氮化物，也受到了广泛关注。Cui等人开发了一种用氮化钒纳米棒（VNCF）改性的CF电极（图2j–m）。根据双电层理论，VN表面丰富的氮原子可作为负电中心，能够有效吸附带正电的钒离子（图2n），从而缩短反应物与电极表面之间的距离，加速电子转移过程（图2o）。 除复合催化剂外，直接金属沉积仍是一种有效的策略。Wei等人通过将铜离子引入电解液，实现了铜纳米颗粒在电极表面的同步电沉积，如图2p所示。这种高导电性金属铜可直接作为活性中心催化V³⁺/V²⁺反应，使电池的EE在300mA/cm²下达到80.1%；不过，金属催化剂有时在稳定性及析氢问题方面会面临挑战。此外，诸如二氧化钛等金属氧化物常被用于改善电极表面的亲水性。Hsiao等人通过尿素辅助沉积法将二氧化钛引入碳纤维上，并实现了氮掺杂。通过采用热还原工艺在纤维表面形成孔隙，他们实现了多孔结构、增强的亲水性及缺陷引入的协同效应，从而显著提升了阳极界面处钒离子的传输与反应速率。这些多样化的催化剂设计策略表明，调控电极表面的电子态、亲水性及微观几何结构是提升钒液流电池功率性能的关键所在。 综上所述，尽管负极改性技术旨在解决动力学迟缓及析氢副反应问题，但对现有策略的深入评估表明，这些方法仍面临诸多实际挑战。采用VN、MXenes或金属纳米颗粒（如Cu）的制备方法通常需要复杂的合成工艺且能耗较高，这引发了对其可扩展性、制造成本及重现性等方面的普遍担忧。此外，这类材料在强腐蚀性流动酸性环境中长期保持电化学与机械稳定性尚存疑问，可能面临铜纳米颗粒溶解或二维材料在数千次循环后发生结构降解等严重风险。相比之下，铋基催化剂则脱颖而出，成为大规模应用最具前景的解决方案之一。得益于独特的电子结构，这类催化剂不仅具备优异的氢抑制能力，还展现出高度稳定的催化活性。当与先进但适应性强的策略相结合时，如单原子色散、晶面工程和界面去耦，铋基方法为开发下一代、高功率密度和长寿命VRFB负极提供了最有前景和竞争力的途径之一。 图2(a)CF上Bi的催化机理示意图；(b)CF上Bi纳米片的原位电化学还原过程示意图；(c)催化剂设计原则，凸显了Bi单原子相较于Bi纳米颗粒在[V(H₂O)₆]³⁺/[V(H₂O)₆]²⁺反应中的优势；(d)Bi NPs/NC中Bi纳米颗粒的结构；(e)Bi SAs/NC中Bi–N₄基团的结构 1.1.2VO2+/VO₂⁺氧化还原反应 与负极处的单电子转移过程不同，正极上的VO2+/VO₂⁺氧化还原反应涉及复杂的氧原子转移及质子参与步骤。因此，正极催化剂的设计不仅需要提供电子传输通道，更重要的是需有效降低电极表面含氧钒离子的吸附能垒，并促进氧转移步骤。 过渡金属氧化物：早期研究主要聚焦于利用过渡金属氧化物来改善CF的表面性能。例如，氧化铅已被证明是一种高效的非贵金属氧化物催化剂。Wu等人通过脉冲电沉积法制备了氧化铅改性CF，利用氧化铅的高析氧过电位和优异导电性，在70mA/cm²下实现了82%的EE。类似地，Yun等人制备了均匀分布于CF表面的氧化镍纳米颗粒（图3a，b）。研究表明氧化镍中带局部负电荷的O₂⁻物种与带正电荷的钒离子之间存在强烈的静电亲和力，从而促进钒离子的优先吸附。此外，氧化镍与CF表面之间的相互作用提高了羧基（─COOH）的比例，这种表面化学性质的变化显著降低了电荷转移电阻。 高熵氧化物：Demeku等人利用鸡尾酒效应诱导晶格畸变并生成丰富的氧空位，成功制备了萤石结构的高熵(BiZrMoWCeLa)O₂纳米颗粒。这些氧空位可增强表面润湿性，并作为电活性位点降低V═O键形成的吉布斯自由能，从而显著降低电荷转移电阻。高熵氧空位策略在160mA/cm²下实现了73.34%的EE，并在超过500次循环后仍保持稳定运行。 晶体结构与缺陷工程：三氧化钼因独特的晶体结构和丰富的表面氧空位而展现出巨大潜力。Xie等人采用简单的浸渍–煅烧法将正交晶系三氧化钼沉积于CF上（图3c）。他们发现煅烧过程不仅引入了高活性的三氧化钼微晶，还显著增加了电极表面的含氧官能团（如C─OH和羧基）。该改性电极表现出优异的倍率性能，在高达250mA/cm²下仍能保持71.42%的VE（图3d），同时兼具出色的循环稳定性。 协同改性与精细缺陷工程进一步拓展了正极材料的性能边界。Hosseini等人报道了采用氮和三氧化钨改性的CF材料的协同效应：氮官能化可改善表面润湿性，而三氧化钨则促进氧和电子转移过程，从而在200mA/cm²下实现了70%的电荷效率。将缺陷工程推进至原子尺度，Zhang等人证实Mn3O4中的空位可诱导原子尺度极化，从而激活最近配位的Mn位点，形成*Mn-O-V桥接中间体，显著增强钒离子吸附能力与反应动力学，最终在300 mA/cm²下获得80.8%的EE。类似地，Bayeh等人采用氢处理的W18O49纳米线，利用其一维形貌及丰富的氧空位来提供大量活性位点并促进电荷传输。此外，为最大化金属利用率与活性位点暴露度，Huang等人开发了负载于整体多孔石墨烯薄膜上的铁单原子催化剂，该催化剂表现出更高的传质效率及对VO2+/VO₂⁺的优异本征催化活性。 Zhang等人近期的研究尤为值得关注。他们对MoS₂₋ₓ催化剂中单原子硫空位对正极（MoS₂-CF₋ₓ）的氧化还原动力学（其中x代表过氧化氢刻蚀时长，单位为秒）的基础影响进行了深入探究。研究并非盲目进行，而是首先基于d带中心理论采用高通量DFT计算，预测当硫空位浓度约为12.5%且刻蚀时间为300秒时，可获得最佳催化活性。受此理论指导，研究人员精确控制了化学刻蚀时间，在CF上原位生长的MoS₂纳米片上构建了高度分散的单原子硫空位。实际实验中实现的优化浓度（11.93%）与理论预测高度吻合。这些分散的硫空位诱导了Mo原子周围的电子重排，优化了d带中心的位置。这种电子结构优化显著增强了电极表面对VO2+/VO₂⁺物种的吸附能力，并强化了Mo─V键相互作用，从而大幅降低了反应能垒（图3e，f）。由此，该催化剂展现出优异性能，在300mA/cm²下，EE最高可达78.73%（图3g–i）。此外，该电池在相同电流密度下稳定运行超过500次循环，其EE衰减率仅为每循环0.002%（图3j）。 目前，正极材料最突出的改性策略是晶体结构调控与缺陷工程。正如正交晶系三氧化钼中丰富的氧空位以及MoS2-x中高度分散的单原子硫空位所示，精确设计的缺陷位点可显著提升反应动力学，确保电池即使在高电流密度下也能保持极高的EE和循环稳定性。未来的改性研究应聚焦于利用过渡金属氧化物（如氧化铅和一氧化镍）作为基础材料，借助其丰富的含氧官能团（如羧基）及较强的静电吸引作用来降低电荷转移电阻。 图3 CF电极表面形貌的SEM图像：(a)商业一氧化镍纳米颗粒经直接浸渍分散前的状态，(b)分散后的状态；(c)MoCF的合成路线；(d)CF与MoCF的电极效率（EE）；(e)MoS₂-CF-x电极的拉曼光谱；(f)MoS₂-CF-x样品的高分辨率Mo 3d谱图；(g)在300mA/cm²下测得的充放电曲线；(h)不同电流密度下的放电容量；(i)采用不同电极的VRFBs的电极效率；(j)配备MoS₂电极的VRFB装置在300 mA/cm²下的长期循环稳定性测试 1.2 ZRFBs 为寻找更具优势的液流电池，研究人员已将注意力转向其他类型。在众多候选方案中，ZRFBs凭借优异的安全性能、低廉的成本、环保特性以及较高的理论容量脱颖而出。尽管ZRFBs展现出巨大的市场潜力，但仍面临诸多实际挑战：正极处锌沉积的不均匀且不可控的枝晶生长，以及负极处发生的各类副反应，均会严重损害电池的稳定性。为解决这些问题，电极改性已成为一项关键策略。与VRFBs中电极改性主要旨在降低成本和提高EE不同，ZRFBs中电极改性的核心目标在于：减少电极腐蚀、抑制枝晶生长、缓解HER并减轻钝化现象，从而延长电池的使用寿命。在ZRFBs的充电过程中，Zn²⁺被还原为金属Zn并沉积于电极表面；而在放电过程中，金属锌则重新溶解为锌离子。 1.2.1 Zn–Br型RFBs：商业化进程的起点 Zn–Br型全固态电池具有放电速率快、深度放电能力强以及储能容量高等优点。该电池的正负两极半电池均采用相同的活性材料，可有效避免两电极之间的交叉污染。 在Zn-Br RFBs中，溴物种通过与络合剂相互作用而得以稳定，从而实现高电解液溶解度及理论比能量达428Wh/kg。然而，负极处溴氧化还原反应的相对缓慢动力学会导致显著的电化学极化。此外，溴的扩散还会引发自放电现象，在很大程度上限制了电池的EE和功率密度。为解决上述问题，近期研究主要聚焦于电极改性策略，旨在优化电极结构以提升电池的EE。典型实例包括设计双层CF或空心核–壳结构碳纳米球等构型。此类结构不仅能增强传质和反应活性，还可通过利用物理吸附或空间限域效应来抑制溴的扩散并减少自放电。 […]

通讯单位：埃因霍温理工大学 DOI：10.26434/chemrxiv-2025-bm036 工作简介 本文介绍了一种原位中子成像方法（结合了偏振模式与透射模式），可同时追踪铁的镀/剥离过程及析氢现象。本研究发现膜附近存在优先铁沉积区域，表明电流密度分布并不均匀。研究发现pH对反应选择性和循环性能起着关键作用：较低的pH会导致铁沉积难以形成。通过采用不同流动场几何结构进行的实验表明，反应选择性与空间分布均受电解质流动模式的显著影响。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 向可再生能源经济转型需要具备成本效益且可规模化部署的储能技术，需能够在全球范围内推广应用。全铁氧化还原液流电池（AIRFBs）已崭露头角，成为一种极具潜力的候选方案，AIRFBs兼具RFB系统的模块化优势与铁化学特性：储量丰富、成本低廉、环境友好以及固有的安全性。然而，性能仍受到以下因素的制约：铁的沉积/剥离反应动力学过程较为迟缓、与HER的竞争，以及电化学反应器内的传质损失。上述挑战亦存在于其他电化学系统中，例如锂离子和锌金属电池中的金属沉积、钒基RFBs中的寄生气体析出，以及水电解槽中的气泡管理。改进这些系统需要对多相反应现象有更深入的理解。在AIRFBs中，控制多孔电极内的铁沉积可提升容量、延长循环寿命并防止孔道堵塞。然而，将电池级指标与反应器内局部的材料转化过程相结合，仍是一个根本性挑战。 核心内容 1.铁磁性铁的选择性成像 图1.α-铁与氧化铁样品的极化中子响应 首先评估了该方法的检测能力，并将中子响应与多种铁物种（α-Fe、Fe3O4、α-FeOOH、γ-FeOOH及γ-Fe₂O₃）的含量进行关联分析。为此，制备了含α-Fe粉末（束流中铁厚度为20–190μm，对应0.2–2 vol%）的外置校准比色皿，其中采用PTFE作为非衰减基质。即使在最低铁含量条件下（20μm），仍可观察到可测量的去极化响应，表明该方法具有高灵敏度。磁去极化效应随α-Fe含量的增加而增强，与理论预测的磁相厚度依赖性一致。当铁负载量较高时（>200μm），信号会出现饱和现象，从而确定了本技术的实际适用范围约为束流中20–200μm的α-Fe含量。进一步，将去极化值的自然对数与铁厚度作图，由此得出线性去极化系数，主要取决于两个变量参数：磁畴尺寸(d)和局部磁通密度(B)。由于粉末的不均匀性和有限的重复，观察到一些线性偏差。由于B受颗粒尺寸、形状及聚集效应的影响，计算η并非易事。 为评估选择性，作者测量了氧化物及氧氢氧化物的去极化响应，结果显示物质表现出极小的去极化值，归因于磁性特性：其中α-Fe呈铁磁性，四氧化三铁与γ-三氧化二铁则为亚铁磁性；而α-FeOOH与γ-FeOOH则为反铁磁性。非金属铁化合物及纯PTFE比色皿则呈现负去极化值。然而，由金属铁引起的去极化效应远高于此类人为干扰，证实了偏振对比中子成像技术对α-Fe的高选择性。   2.循环载荷下的电镀动力学 图2：水系全铁氧化还原液流电池中同步铁沉积与析氢相变反应的运行成像 作者团队通过AIRFBs体系演示了该技术的性能：在该体系中，负极电极支持铁的电镀（充电）和铁的剥离（放电），分别形成并溶解铁磁性α-Fe，从而改变中子束的净偏振状态。与此同时，在充电过程中，负极半电池内产生的HER会因相较于液态电解质其衰减系数较低而增强中子透射率；相比之下，正极处的Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原反应则不会改变偏振状态或透射率。因此，偏振中子成像技术能够在原位运行条件下，对决定电池性能的负极半电池中的关键反应进行空间与时间分辨的追踪。 为直观呈现现象，对体系进行了10次充放电循环的恒电流循环测试。体系初始时表现出较低的CE（约10%），至第5次循环时升至约80%，表明系统已进入稳定阶段，与去极化信号曲线及去极化辐射图的变化相一致。在前5个循环期间，电极截面内的铁沉积量呈现持续增加趋势。从第6次循环开始，去极化信号趋于稳定，标志着体系已进入稳态运行状态。 早期循环期间CE的降低可归因于竞争性HER。中子透射X射线衍射图显示透射率增加，表明存在气体，尤其在初始循环阶段。第1循环中较高的析氢速率是由较低pH值下更快的动力学过程驱动的，并随时间推移而减小，是由于质子消耗所致，从而导致负极电解液pH升高。稳态条件约在第178循环时达到，推测此现象是由pH升高及预镀电极表面逐步稳定所驱动的。尽管如此，由于酸性水溶液电解质的存在，HER仍不可忽略。此外，偏振中子成像技术还能揭示电极内镀覆的铁的空间分布。铁最初沉积在膜附近，该处的局部电流密度最高。优先镀覆现象在所有实验中均一致，且伴随同一区域氢含量的增加。随着镀覆过程的进行，铁不仅会在先前已镀覆的区域积累，还会进一步向电极厚度方向，朝向集流体移动。然而，预镀覆区域的镀覆速率更快，可能归因于残留的非铁磁性铁物种或碳纤维的局部改性。因此，尽管该技术对少量铁表现出较高的灵敏度，但信号饱和可能会限制使用当前装置对总镀覆铁量的定量分析。通过减小光束方向上的电极尺寸或缩短入射光束的波长，从而降低对比度，可以减少信号饱和。   3.电流密度决定空间反应分布 图3：AIRFB的电流密度依赖性响应：对恒电流电压曲线及铁沉积引起的去极化分布的影响 作者团队研究了稳态循环条件下电流密度（25–100mA cm⁻²）的影响：恒电流电压曲线在所有电流下均保持稳定，唯独在100mA cm⁻²时出现电压升高，表明存在传质限制及反应物耗尽现象。然而，鉴于仅消耗了约255mAh电荷量，此现象不能归因于系统内Fe²⁺的整体耗尽；相反，该现象与电极表面附近的离子局部耗尽以及电镀层的显著分布不均密切相关。 偏振中子成像技术能够解析局部分布效应。在充电时捕获的X射线衍射图像显示，铁沉积始终始于膜附近区域。去极化曲线证实：较高的电流会加速电镀过程，从而增加单位时间内铁的累积量。然而，在相同电荷量条件下进行对比可发现，总电镀铁量并无显著差异。唯有通过分析信号饱和程度，才能更精细地区分电流密度对电镀分布的影响：低电流密度下，铁的分布在整个电极厚度范围内更为均匀；而高电流密度则会导致电镀过程更加集中于膜侧，同时减少向集流体方向的沉积量。 对于所有电流密度实验，借助校准数据，可以得到负极电极在不同电极分区内的孔隙率变化。即使在最低的25mA cm⁻²下，也出现了局部孔隙率的变化。随着电流的增大，膜区的孔隙率呈现急剧下降趋势，而其他区域则趋于稳定，证实了空隙空间的加速饱和过程。 放电过程中，时间分辨X射线衍射图与去极化曲线显示：铁剥离前沿最初在电极厚度方向上呈现均匀分布，但很快会形成一个优先反应前沿，其位置与形态均取决于电流条件。对于该优先铁剥离前沿，观察到以下显著趋势：在低电流密度条件下，主要剥离过程仍发生于膜附近区域，从而导致膜邻近区域的液相量增加；而在高电流条件下，体系的离子电导率成为更关键的限制因素，进而影响欧姆阻力与动力学之间的平衡关系，使得反应过程偏离低电导区，并向电极中段方向扩展。由此形成的分布模式反映了体系倾向于将物质保留在欧姆电阻较低区域的特性。 上述见解表明，电镀和剥离过程中的电流密度分布在较高工作电流下会变得越来越不均匀。例如，在100mA cm⁻²下，无法实现完全剥离。尽管此类电流密度在最先进的系统中较为常见，但成像技术揭示了关键的利用限制。为了充分发挥AIRFB的储能潜力，可能需要采用超越传统循环策略的方法。诸如恒流–恒压循环等方案或许能提高电极利用率并减轻局部孔隙堵塞效应。   4.负极电解液pH决定铁的可利用性及电池寿命 图4：负极电解液pH对AIRFB运行的影响 为研究pH对性能和耐久性的影响，采用恒电流循环法进行了测试，初始负极溶液的pH约为1和2.5。初始较低的充放电效率可归因于竞争性的HER，该反应在较低pH条件下更为显著。当pH≈1时，去极化响应随循环次数增加而逐渐增强，并在5次循环后趋于稳定。较低的初始镀层效率会导致较大的剥离过电位，但过电位会随着效率的提高而减小。当pH≈2.5时，最大去极化现象出现在第2次循环中，并在后续循环中逐渐减弱，尤其在集流体区域附近更为明显，可能表明氧化铁/氢氧化物沉淀的开始，因为电池在Fe2+局部溶解度极限附近运行。在10次循环过程中，观测到高频电阻从0.71Ω上升至0.79Ω，进一步支持了非导电物质的形成。去极化信号的衰减与可放电容量的可观测下降并无相关性。因此，去极化射线图显示容量衰减在电化学测试中被掩盖，原因是循环过程并未在0–100%SOC范围内进行。   5.流场结构与流速决定了气体管理及电镀工艺 图5：流场几何结构对AIRFB中电镀诱导的去极化及氢诱导的传输的电化学性能与分布的影响 作者团队分析了流场几何结构与流速对AIRFB电池的电化学性能、铁沉积与剥离过程以及气体析出的影响。研究考察了三种流动场配置：全对流流场（FTFF），依赖于对流；平行流动场（PFF），依赖于扩散；以及结合了两种传输机制的交错流动场（IDFF）。每种配置的实验数据均显示于稳态条件下（经过10个恒电流循环，条件为50mA cm⁻²、22.5mL min⁻¹，起始负电解质pH为1）。 所有系统均呈现相似的充放电曲线：电压出现峰值，随后在充电阶段稳定于水平；放电过程中则呈现平台期，之后电压急剧下降，归因于先前镀上的所有可利用铁被移除。此外，对于所有研究的流场，充电和放电步骤的代表性过电位均表现出高度对称性，差异范围在±10mV以内。也就是说，对于给定的流场，镀层反应的过电位与剥离反应的过电位相近。然而，扩散流PFF表现出显著更高的平均过电位（约410mV），相比之下，完全或部分对流的FTFF和IDFF（约310–315mV）则较低，凸显了流态对传质过程的影响。作者团队将这些差异归因于电解液侵入路径：在FTFF中，对流流动确保了电解液在整个电极厚度范围内均匀侵入，从而填充了小孔区域，并基本阻止了高度分化的流道形成。中子成像进一步证实了电极的高利用率，即实现了最大程度的去极化饱和。平均饱和值为77.5%，铁镀层的分布更为均匀，且略微偏向膜一侧，归因于电流分布的不对称性。 相比之下，扩散传输PFF会导致严重的传质限制，体现在较高的过电势上；电解质由于压降较小，会优先流经这些通道。预计进入电极的速度场会降低，完全依赖于电解质的横向吸渗和芯吸，最终表现为缓慢的扩散传输。同时，电极各处的铁含量逐渐降低，且孔隙区域难以通达，从而导致在所有研究体系中，其平均去极化饱和值最低，仅为56.9%。IDFF具有中等性能，其交替的进料–出料通道迫使流体通过多孔介质，从而改善了与PFF相比的组分分布，同时避免了FTFF较高的压降。然而，混合扩散–对流机制在与厚毡状电极及缓慢的Fe²⁺|Fe⁰反应动力学结合时，会表现出性能局限性。尽管IDFF与FTFF的电化学响应相似，但我观察到去极化分布存在区域不均匀性。平均去极化率达到62.5%，是体积电极利用率的中等值，但镀层倾向于上半部分及靠近膜处，反映了在PFF镀层中观察到的趋势。 除了电镀/剥离过程外，HER和气体滞留也是AIRFBs面临的主要挑战。为了研究气相分布情况，采用了中子透射成像技术。虽然该方法并非直接量化析氢反应速率，但可以追踪气体的存在情况，类似于特定时间点的气体体积分数。初始运行时，透射值达到峰值，表明多孔电极中存在有利于气体泡形成和积聚的优先区域。在整个充放电循环过程中，气体持续存在。尽管在放电阶段并未产生气体，但残留的滞留气泡仍可检测到，并随着电池运行逐渐从电池中移除。经过数个循环后，透射值趋于稳定，仅因气泡流动的随机性而出现微小波动，是由于HER减弱以及气泡生成与气体清除之间的流体动力学平衡得以建立所致。FTFF在负极上保持相对均匀的气体分布，反映了有效的气体清除能力。相比之下，PFF和IDFF则显示出局部的气体积聚现象，尤其是在膜附近，此处电流密度最高，是由于电流分布不均所致。PFF的直接进–出通道连接会导致流体绕过较深的电极区域，从而导致气体去除效果不佳，平均气体含量达到17.1%。尽管总体低于FTFF，但PFF会呈现尖锐的局部气体峰值，主要集中在膜区域附近，进而加剧离子传输路径的阻塞，使电极表面区域难以接触，从而加剧电流分布不均匀现象，并导致过电势增加。 图6：在电解液流速递增条件下，采用型叉指式流场结构的AIRFB的运行特性随流速变化的关系 持续的HER和气体滞留会在所有流速下产生电压噪声，尽管在最低测试流速（5.625 mL·min⁻¹）下可观察到特定的扰动现象。虽然面内铁沉积仍相对均匀，但流动条件会因质量传输限制而引发急剧升高的过电压：(i)由于弱对流侵入和储层混合不良，导致铁物种耗尽；（ii）氢气积聚，因毛细力超过电解液的粘性流动而加剧，从而降低了有效渗透率。透射图证实了膜附近及死端通道区域内的气体积聚。在所有设计中，IDFF在低流速下表现出最高的气体积聚程度。 核心结论 本研究确立了极化中子成像技术作为一种强大的操作态诊断方法，可用于研究AIRFB中的相变过程。本文证实该方法能够实现对多孔电极内金属铁沉积与剥离过程的选择性、空间及时间分辨可视化。该技术利用了极化中子对铁磁α-Fe的高灵敏度特性，其检测限可低至约20μm，信号饱和点约为200μm铁厚度，且不受非铁磁物质的影响。通过将电化学诊断与中子成像相结合，揭示了电池性能中存在的关键局限性：源于电流密度分布的不均匀性，导致铁优先在膜附近沉积，并引发局部HER。此外，结果还揭示了pH与长期稳定性之间的反比关系，较高的pH会加速氧化铁的形成，从而加剧容量衰减。进一步地，证明了流场几何结构会对反应选择性和空间均匀性产生显著影响。对流流动模式可提升电极利用率并最大限度地减少氢气积聚，而扩散型流动模式则会加剧非均匀沉积与气体积聚。因此，本研究为解决RFB中金属电镀、传质及气体析出三者间的耦合挑战奠定了机理基础。

液流电池电堆（电解液）测试台（台架式/集装箱式/托盘式） 产品矩阵（2026版） 产品一：台架式-1（开放式台架与电堆分体布局，便于更换电堆）   产品二：台架式-2（开放式台架与电堆一体布局，节约占地面积） 产品三：台架式-3（封闭式台架与电堆分体布局，简洁美观，便于更换电堆）（主推）   产品四：台架式-4（封闭式台架与电堆一体布局，紧凑美观，方便整体移动）（主推） 产品五：集装箱式（高度集成，室内/室外均可布局） 产品六：托盘式（前期探索性实验测试，功率小，低成本）   产品七：多堆测试台（按需定制设计） 应用场景分析： （1）电堆开发企业：用于企业开展电堆研发测试或者电堆产线质检测试，电堆由企业提供。 （2）电解液生产企业：用于企业开展电解液研发测试或者电解液产线质检测试，武汉之升新能源可提供国内一流的批量化定型电堆（已在50兆瓦级项目上使用）（5kW/10kW /20kW /30kW /42kW /64kW）。 （3）材料生产企业：用于企业开展膜、电极、双极板的研发测试或者产线质检测试，武汉之升新能源提供可重复拆卸的批量化定型电堆及配套商业化全钒/铁铬/锌溴电解液，同时提供电堆拆装技术培训以及配套的电堆叠压翻吊一体机，实现材料企业具备自主拆卸、组装电堆的能力。 （4）高校研究所机构；用于机构开展电堆结构、电解液、膜、电极、双极板等材料的研发或者小试中试测试，武汉之升新能源提供定制化电堆（百瓦-数十千瓦级）及配套技术服务。 功能特点 功能：液流电池电堆（单堆/多堆）测试台2026版基于成熟的液流电池储能系统集成技术搭建，适用于各种类型液流电池电堆（包括膜、电极、双极板等材料）和电解液的性能评估（主要包括充放电性能、能量效率EE、库伦效率CE、电压效率VE、电解液利用率、单电池电压均匀性、过载能力、液阻测试、内阻测试、高温存储、低温存储、内外漏测试、循环性能等）。满足以下标准要求： NB/T42132-2025全钒液流电池电堆测试方法（修订） NB/T42006-2025全钒液流电池用电解液测试方法（修订） NB/T11779-2025液流电池电解液循环系统技术规范 NB/T11227-2023锌溴液流电池电堆测试方法 NB/T10460-2020锌镍液流电池电堆测试方法 铁铬液流电池第3部分：电堆技术要求及测试方法（能源20240029，制定中） 锌铁液流电池第1部分：电堆技术要求及测试方法（能源20240034，制定中）   特点： 定制生产、结构紧凑；完全集成、防漏设计； 电堆定制、拆装方便；集成温控、长期运行； 安全保护、实时监测；一键上电、操作方便。 2026版亮点 安全保护全面升级，确保测试安全无忧； 数据存储分析查询，测试数据一目了然； 管路功能优化完善，系统维护省时省心； 液流体系量身设计，精准适配不同体系。 适用液流电池体系 根据不同液流体系要求：液-液非沉积型体系+液-固沉积型体系，测试台方案有针对性调整，具体包括： 全钒、混酸、铁铬、锌铁、钒铁、全铁、硫铁、锌溴、锌镍、锌碘、浆料液流、水系/非水系有机等各种液流电池体系。 技术参数表 项目 规格和特点 数量 备注 测试台组成 电堆（选配）、电解液（选配）、管路系统、SOC系统、温控系统、电池充放电测试仪或PCS（选配）、控制管理系统、配电系统、金属框架；     单堆或多堆 单堆：100W~200kW（功率可选）； 多堆：64kW~1MW（功率可选）；

第一作者：何新华 徐洲 通讯作者：宰建陶 通讯单位：上海交通大学 DOI：10.1002/aenm.71374 感谢上海交通大学宰建陶团队（第一作者：何新华）校稿！ 工作简介 本文提出一种基于d电子互补性的轨道调控分步催化策略，通过构建NiS/MnS异质结构实现高效的多硫化物转化。得益于Ni（3d⁸）与Mn（3d⁵）的独特电子构型，Ni位点可提供强电子供体能力以加速短链多硫化物的还原反应，而Mn位点则能形成有利于长链多硫化物吸附与活化的空间分布电子态。而且，Ni─S─Mn构型的形成建立了硫介导的界面耦合路径，实现了定向电荷再分配及催化功能的空间分离。理论计算表明该体系中轨道杂化效应增强且费米能级附近的电子密度增加，从而促进快速电荷转移与强多硫化物吸附。当应用于多硫化物液流电池时，NiS/MnS电极表现出更高的能量效率、更优的功率密度以及卓越的循环稳定性。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 全球能源需求的持续攀升与对化石燃料依赖所带来的环境影响，共同加剧了对可持续替代方案的探索，其中太阳能和风能等可再生能源已占据核心地位。然而，这些技术的间歇性特性会威胁电网稳定性，从而迫切需要大规模且成本效益高的储能解决方案。水系氧化还原液流电池（ARFBs）提供了一种极具吸引力的替代方案，其兼具模块化可扩展性、固有的安全性以及实现长时储能的潜力，对于将可再生能源整合至电力基础设施中至关重要。在众多系统中，基于多硫化物的水系氧化还原液流电池（例如S-Fe、S-I型）因低成本以及得益于多电子硫氧化还原化学反应而具备的高理论容量，已成为大规模储能领域的理想候选方案。然而，它们的实际性能仍然受到多硫化物转化动力学缓慢和中间物种积累的严重限制，导致EE低和容量衰减。 核心内容 图1.a)NiMnS/AHGF的制备过程示意图；(b，c)NiMn-LDH的SEM图像及(d)TEM图像；(e)NiMnS的SEM图像；(f)TEM图像；(g)高分辨率TEM图像；(h)NiMnS的HAADF-STEM图像及其元素分布图 本研究采用层状双氢氧化物（LDH）衍生策略来构建NiMnS异质结构。硫化后，前体很容易转化为具有增强导电性和大量暴露活性位点的分级多孔双金属硫化物，从而为多硫化物吸附和催化转化提供了有利的平台。SEM和TEM图像显示NiMn-LDH纳米片具有多孔层状结构；与前驱体NiMn-LDH相比，经硫化处理后的NiMnS仍保持其多孔纳米片结构。 HRTEM图像可清晰观察到两组不同的晶格条纹。其中一组晶格条纹对应于MnS的(200)晶面，其晶面间距为0.262nm；另一组晶格条纹（间距为0.294nm）则归属于NiS的(101)晶面。纳米尺度下NiMnS中这两组具有不同晶面间距的晶格条纹之间的相互连接，证明了该材料存在异质结构。此外，EDS元素分布图显示Ni、Mn和S元素均呈均匀分布且高度相关，表明该材料为均质复合物。 图2.(a)NiMnS的PXRD谱图；(b)NiS、MnS及NiMnS的XPS谱图；(c C 1s、(d)Ni 2p、(e)Mn 2p、(f)S 2p的高分辨率谱图 NiMnS复合材料所有观测到的衍射峰均与NiS和MnS的标准参考图谱精确匹配，证实了复合材料中两种相的共存。XPS全谱分析证实了Ni、Mn、S元素的存在，以及源自表面物种的O 1s和C 1s信号。总体而言，XRD和XPS的实验结果证实了复合材料中NiS与MnS的共存。而且，Ni和Mn的相反结合能偏移清晰地揭示了强烈的界面电子耦合，有望促进电荷重新分布，并有助于提升催化性能。 图3.不同材料的PDOS：(a)NiS，(b)MnS，(c)NiMnS；(d)不同材料的TDOS；(e)NiMnS等值面的差分电荷密度图；(f)NiMnS的差分电荷密度二维切片；(g)S介导的轨道接力机制，可实现Ni–S–Mn体系中的逐步多硫化物催化 在NiS中，Ni 3d态与费米能级（EF）附近的S 3p轨道呈现强耦合，表明其具有较高的本征电子活性和良好的电子传递能力；相比之下，MnS则显示出更分散的Mn 3d态，且在EF附近电子密度较低，提示其电子结构相对局域化。当形成NiMnS异质结构时，可观察到Ni 3d、Mn 3d与S 3p态之间明显的轨道杂化，导致EF周围电子分布更加离域。电子重构连接了富电子的Ni位点与缺电子的Mn位点，建立了能够实现协同催化的内部电子转移路径。TDOS分析进一步显示与NiS和MnS相比，EF附近电子态密度有所增加，表明电子导电性增强且界面电子活化程度更高，表明异质结构内形成了高效的电荷传输路径，对于加速多硫化物的氧化还原反应至关重要。此外，电荷密度差揭示了存在一种由硫介导的界面耦合路径：硫原子充当电子桥，将Ni与Mn中心连接起来，从而实现了在Ni–S–Mn构型中定向的电荷重新分布。 因此，对于Ni位点，近乎填满的3d轨道在与S的3p轨道相互作用时会产生强烈的π排斥效应，从而导致形成反键特征，并使Ni–S界面处的电子密度趋于不稳定；相比之下，具有高自旋3d⁵构型的Mn位点则拥有部分未占据的d态，能够通过从S的3p轨道进行π给电子而有效接受电子密度，进而形成更为稳定的Mn–S相互作用。正是不对称的轨道相互作用驱动了硫原子作为电子媒介物，连接Ni与Mn中心，使得沿Ni–S–Mn路径可实现定向的电荷重新分布。 图4.(a)NiMnS的模拟结构及与S²⁻、S2²⁻、S4²⁻相互作用时的优化中间吸附构型；(b)NiS、MnS和NiMnS表面吸附S²⁻、S2²⁻、S4²⁻的优化结构；(c)不同电极材料的CV曲线；(d)NiMnS在不同扫描速率下的CV曲线；(e)NiMnS上的峰电流拟合线随扫描速率平方根的变化关系；(f)不同电极在Na₂S₄溶液中的Tafel斜率；(g)NiMnS在非法拉第区间内的CV曲线；(h)不同电极对应的CdL值比较；(i)不同电极材料的EIS图 DFT计算所得吸附能表明，在所有候选材料中，NiMnS表现出最负的Eads值，证实了其对多硫化物中间体具有热力学上有利的化学吸附特性。增强的吸附能力源于Ni与Mn位点间的协同作用，该作用可有效锚定可溶性多硫化物并促进其氧化还原动力学过程。 此外，CV测试显示与AHGF、NiS和MnS相比，NiMnS表现出显著增强的氧化还原峰电流及降低的极化现象，表明其多硫化物转化动力学加速。而且，NiS与MnS显示出不同的催化偏好：NiS更倾向于短链多硫化物的还原，而MnS对长链多硫化物更为有效。NiMnS复合材料能协同整合这两种活性位点，从而在整个硫还原路径上实现催化效能的整体提升。而且，塔菲尔分析显示在Na2S4电解质中，MnS表现出比NiS更低的塔菲尔斜率，表明对长链多硫化物转化具有更优的催化活性；相反，在Na2S2电解质中，NiS显示出更低的塔菲尔斜率，证明在短链多硫化物还原方面更具优势。显著的催化偏好直接反映了Mn和Ni位点的内在电子特性。因此，NiMnS在两种体系中均表现出较低的塔菲尔斜率，证实了该异质结构能有效整合Ni与Mn的互补功能，并实现高效的多硫化物逐步转化。此外，ECSA显示NiMnS电极表现出最高的双电层电容（Cdl），意味着拥有更多可接触的活性位点及更有效的电化学界面。EIS进一步揭示，NiMnS在所有电极中具有最低的电荷转移电阻，表明界面电子传输能力得到显著增强。总体而言，实验结果证明NiMnS优异的电催化性能源于其对增强的多硫化物吸附、加速的电荷转移以及轨道调控的分步催化功能的协同整合。 图5.(a)所提出的SFeFB电池配置示意图；(b)基于AHGF、NiS@AHGF、MnS@AHGF及NiMnS@AHGF电极的S-Fe FB在20mA cm⁻²下、50%SOC条件下的首次充放电曲线；(c)S-Fe FB在50% SOC条件下的放电极化与功率密度曲线；(d)在50%SOC条件下，不同电流密度下获得的充放电极化曲线；(e)S-Fe FB在50%SOC条件下，不同电流密度下的倍率效率；(f)基于NiMnS@AHGF和AHGF电极的S-Fe FB在20mA cm⁻²下的恒电流循环EE；(g)文献中关于多硫化物液流电池系统EE的数据对比 基于NiMnS@AHGF的S-Fe FB实现了110.6mW cm⁻²的峰值功率密度，优于采用AHGF的S-Fe FB（45.6mW cm⁻²）、NiS（97.5mW cm⁻²）及MnS（88.3mW cm⁻²）的性能。充放电曲线中显著减小的电压差进一步证实了NiMnS@AHGF电极优异的氧化还原可逆性。此外。NiMnS@AHGF电极在所有测试电流密度下均保持优异的CE>99%，表明有效抑制了多硫化物穿插现象。同时，在20mA cm⁻²下，NiMnS@ AHGF的EE达到90.5%，优于AHGF（78.2%）及单金属硫化物复合材料（NiS@AHGF：85.9%；MnS@AHGF：80.4%）。在80mA cm⁻²下，NiMnS电极仍保持66.3%的性能，显示出相较于AHGF电极（40.7%）的显著优势。与AHGF电极相比，NiMnS@AHGF在不同电流密度下均能维持更高的VE，进一步证实了NiMnS异质结构所固有的增强电化学动力学和减弱极化特性。S-Fe FB体系的循环耐久性在20mA

第一作者：潘律名，穆永彪 通讯作者：曾林，魏磊，赵天寿 通讯单位：南方科技大学 DOI：10.1016/j.pmatsci.2026.101787 感谢南方科技大学赵天寿院士团队（魏磊老师）校稿！ 工作简介 本综述旨在通过探讨杂原子功能化碳基材料的最新进展及其对提升RFBs电化学性能的显著影响，以解决长期存在的分歧。文中评估了多种基底材料，涵盖传统碳毡、纸张、织物，以及新兴的静电纺丝纤维和生物质衍生纤维等；同时，系统讨论了其处理方法，包括热处理、化学处理及电化学处理等技术；重点阐述了氧、氮及多元素掺杂的作用，并对未来单原子与双原子催化剂的发展进行了展望。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 选择最优电极材料对于实现液流电池（RFBs）的卓越性能至关重要。电极材料需具备高电导率、大比表面积、强机械强度，以及在电解液中优异的稳定性与电催化活性。先进的电极设计是降低液流电池整体成本的关键所在。液流电池的主要成本往往源于金属电解液和电堆，后者由耐久的离子交换膜及石墨碳等相对昂贵的材料构成。降低成本的有效途径之一便是用更经济的有机氧化还原电对替代昂贵的金属电解液；此外，降低电堆的成本对于构建基于特定氧化还原电对的更具成本效益的系统而言尤为关键。需要明确的是，电池电堆的初始投资与电池单元性能密切相关，包括在工作电压范围内所呈现的功率密度与电流密度。此类性能受电极影响显著，电极不仅会通过欧姆损耗导致系统极化，还会通过活化极化与浓差极化引发极化现象。因此，开发能够有效缩小电池电堆尺寸并相应降低相关成本的高性能电极，可视为降低液流电池整体成本的直接且高效的策略，电极技术的进步对于提升此类储能系统的经济可行性具有基础性意义。 核心内容 1.用于水系RFBs的碳材料分类 图1.水系RFB系统中不同类型的碳电极：CF、CP、CC及ECF 各类碳材料，如碳（石墨）毡（CFs、GFs）、碳纸（CPs）、碳布（CCs）及静电纺丝碳纤维（ECFs）均被应用于不同类型的水系RFBs中，如图1所示。尽管含碳材料的组成相似，但制备工艺与性能特性存在显著差异。制备过程始于将聚合物前驱体通过干法纺丝、湿法纺丝或熔融纺丝转化为纤维，纤维构成了所有碳电极的结构基础。随后，制造业分为三条主要路线：CC和CF利用既定的纺织工业技术，长丝在通过织造（CC具有不同的经纱和纬纱）或针织（CF产生松散的三维网络）加工成织物之前，先进行纺纱和加捻。相比之下，CPs遵循独特的制备工艺：首先对纤维进行碳化处理，随后将其切断并与树脂混合，最后经过压合、干燥及高温石墨化处理，从而获得致密且各向同性的结构。而ECFs则占据着独特的技术定位，通过电纺丝技术，在高压电场作用下将前驱体溶液纺成超细纤维，并直接收集成型。尽管这些材料的成型方法存在显著差异，但所有材料最终均需经过严格的碳化与石墨化处理，以达到所需的电化学性能。除上述工业级制备工艺外，新兴策略如生物质衍生碳化法（例如利用木材）和非溶剂诱导相分离法（NIPS）也展现出良好的应用前景，不过当前高性能研究仍主要集中于碳纳米管（CCs）、碳纤维（CFs）及碳纤维（CPs）的精细化改性领域。这些在制备工艺上存在的根本差异直接决定了材料内部的纤维拓扑结构，进而调控着孔径分布与传质特性。 图2.不同电极的孔隙率与传质特性对比 制备工艺的差异会导致不同电极材料具有不同的孔隙分布及传质特性。虽然CF和CP通常表现出非织造无规纤维形态，但CC具有规则的编织结构。对比CP与CC的孔径分布特征，CP呈现出最窄的分布曲线，孔径最小，主要集中在10μm附近（图2a）；而CC则因编织结构特性呈现更宽泛的分布范围（图2b），结构包含纤维束内的微孔以及纤维束之间的大孔（可达40–50μm）。这些结构差异在机械压缩条件下依然存在：当压缩比（CR）从0%增至50%时（图4c–e），三种材料的孔径均显著减小；CF（图2c）与CP（图2d）在整个压缩过程中仍保持相对均匀的孔径分布，归因于其随机取向的纤维网络结构；此外，CP初始孔径小于CF的现象源于其制造过程中的压延工艺；相反，CC在所有压缩阶段均始终保留经纱与纬纱交点处显著的大孔结构（图2e）。如图2f所示，不同电极的孔隙率随CR增大而降低，但下降趋势各异：CC与CF呈现“先缓后急”的下降规律，可归因于其相对松散且具有弹性的结构能在低压力下提供机械支撑，直至纤维骨架在较高载荷下发生坍塌。具体而言，当CC的CR值超过20%时，其渗透率会迅速下降，表明纱线连接处的电解液通道发生过度形变，从而消除了织物结构固有的流体传输优势；相比之下，CP的孔隙率则随CR的增加而近乎线性降低，反映了致密、纸状结构所呈现的各向同性压缩响应特性。孔隙率的持续降低会导致渗透率下降及泵送损耗增大。除传质过程外，CR的变化还会通过改变电极内部的接触条件而显著影响电化学性能。如EIS测试结果所示（图2g），所有电极的欧姆电阻均随CR的增加而降低，是由于纤维间以及电极与集流体之间的接触得到了改善所致。 图3.PEMFCs中的气体扩散层与水系RFBs中的多孔电极的对比 CFs广泛应用于商业化RFB系统；而其他碳材料则主要源自PEMFCs，旨在为单个电池实现高功率密度。然而，如图3所示，这些碳材料在水性RFB与PEMFCs中的作用存在根本差异：在PEMFCs中，碳材料可促进气体传递并支撑发生电化学反应的薄膜催化剂层，因此被称为“气体扩散层”；相比之下，在水性RFB中，碳材料被液态电解液充分浸润，并作为氧化还原反应的发生位点，称为“液相扩散层”。 此外，PEMFCs与RFBs中的传质机制存在根本性差异，源于二者所采用的气态与液态工作流体。在PEMFCs中，反应物传输主要由气体对流及通过多孔介质的扩散主导，并与多相现象紧密耦合；相比之下，水基RFB则依赖于对流流动以及电解液填充的多孔电极内溶解氧化还原物种的液相扩散。因此，PEMFCs中的浓差极化现象与气体可及性及水分管理密切相关，而RFBs中的浓差极化则主要受电解液分布、物种扩散以及多孔电极内的下肋对流所支配。电池性能由其结构与物理化学性质共同决定。此外，表面特性如官能团数量、石墨化程度及亲水性会显著影响氧化还原对的动力学行为。另外，研究人员常将丰富的纳米级碳材料引入这些电极中，以增强其氧化还原活性。碳材料的表面通常经过有意或不可避免的改性，引入多种官能团，从而深刻影响氧化还原对的吸附与解吸过程，进而决定其催化活性。 1.1碳（石墨）毡 碳（石墨）毡由直径范围从数微米至数十微米的碳纤维构成，是RFB中最广泛使用的电极材料。前驱体主要分为两类：聚丙烯腈（PAN）和人造丝。前驱体的碳化温度对其物理化学性质具有显著影响。CF与GF之间的主要区别在于碳化温度：CF由经相对较低碳化温度处理的碳纤维组成（PAN基纤维为1200°C，人造丝基纤维为1600°C），其产物主要呈现非晶相；而GF则由经较高碳化温度处理的碳纤维组成（PAN基纤维为2000°C，人造丝基纤维为2200°C）。在更高处理温度下，碳的基面会逐渐沿纤维轴方向取向，因此，与CF相比，GF通常具有更高的石墨化程度和更低的氮含量。由此可见，不同类别碳毡的物理化学性质存在显著差异，导致经过相似表面处理后，其电化学活性与化学稳定性亦会出现差异。 前驱体材料的选择与石墨化程度对液流电池中氧化还原电对的反应动力学具有关键影响。Zhang等观察到两种GF之间的显著差异，发现粘胶纤维衍生的毡通常呈现纤维束状结构，而PAN衍生的毡则显示出细小的表面沟槽，有助于PAN基GF获得更高的比表面积。Zhong等全面探讨了两种前驱体对GF物理化学性质的影响，发现粘胶基GF在后续处理过程中易被氧化，形成C=O键；而PAN基GF则更具抗氧化性，能形成C-O键。粘胶毡中更强的氧相互作用可归因于其微晶结构。在另一项研究中，Chang等考察了不同CF作为VRFB电极时的电学、力学及形貌特性。他们的研究表明由夹紧力控制的压缩比是平衡总界面接触阻力和液体传输阻力的关键参数。总体而言PAN基毡的导电性优于人造丝基毡。Schweiss等人指出无论采用何种前驱体（PAN或人造丝），原始的碳基或石墨基毡往往存在润湿性不足的问题，给促进快速反应带来了挑战。为解决此问题，需通过调控石墨化过程及进行氮掺杂，以显著提升润湿性与电化学性能。 1.2碳纸 近年来，提升单个电芯性能已成为一种普遍趋势，提高电芯效率可减小电堆尺寸，从而降低双极板、隔膜及电极等重复性组件的成本。在此背景下，由碳纤维构成的CP正日益被用作RFB的电极材料。相较于碳毡，碳纸具有更薄、更致密的结构特性，将作为RFB电极可显著降低电导率、接触电阻及离子电阻，进而降低电池内部电阻。然而，碳纸本身硬度高且脆性大，压缩性极低，使得大多数RFB需采用流过式运行模式。在该模式下，石墨化流场可提供机械支撑，使碳纸能够实现紧密组装而不会损伤其结构。这种配置下的流场能有效将电解液分布至整个活性区域，从而降低电极处的质量传递阻力。 CPs的优良特性使得RFBs能够以紧密的构型组装，类似于燃料电池中的膜–电极–组件结构，也被Mench团队称为“零间隙结构”。研究发现，该结构的内部电阻仅为0.5Ω cm²，低于传统流过式结构中观测到的数值（3.5和5.4Ω cm²）。因此，该结构实现了557mW cm⁻²的峰值功率密度，约为先前报道结果的五倍。随后，该团队采用动态氢参比电极，通过极化曲线分析方法，考察了不同类别CPs及不同热处理条件下VRFBs的过电势。研究表明来自SGL的CPs相较于其他CPs表现出更优的性能，其中负极侧对过电势的贡献尤为突出。此外，经环境空气预处理的CPs与原始CPs相比，其功率密度提高了16%，归因于其上接枝的含氧官能团（OCFGs）。鉴于此，同一组在富氧环境中对CP进行了热处理，预计会有更多的OCFG接枝到CP表面。然而，经改性CPs的VRFBs性能进一步提升可归因于其增大了比表面积，而非功能基团的作用。类似地，研究人员在CPs表面引入了一层多壁碳纳米管（MWCNTs）以增加活性面积；当该薄层位于最靠近负极集流体的位置时，采用此结构的电池可实现功率密度提升8%。Liu课题组也在VRFBs用CPs的早期研发阶段做出了重要贡献，该课题组研究了不同表面处理方式对钒反应氧化还原动力学的影响，并针对CPs表面的V(II)/V(III)氧化还原反应提出了内球机制。 通常，为增强电化学活性，原始CPs需经过表面功能化处理以改性其理化性质。表面处理方法包括热处理、水热处理及化学处理。一般而言，表面功能化不仅能在纤维表面生成官能团，还能增大比表面积（SSA），两者均有助于提升氧化还原反应的活性。然而，Goulet等人研究了表面处理后润湿性对氧化还原反应的影响。他们的研究表明通过电化学氧化处理所获得的增大电化学比表面积，可同时提高V(II)/V(III)和V(IV)/V(V)两种氧化还原反应的速率；而氧化过程中产生的OCFGs对钒的氧化还原反应影响甚微。最近的一项研究还利用三维格子Boltzmann方法，强调了表面润湿性对V(IV)/V(V)氧化还原反应的重要性。 除直接将CPs用作VRFBs的电极外，还可在CPs表面引入多种元素（如氮）以改性其物理化学性质，从而增强其电化学活性。此外，金属基催化剂，包括WO3,Pt、TiN、MoO3,TiC、In和MnO2已通过原位浸渍法沉积在CP表面上或使用粘合剂固定。金属基催化剂通常已被证实可电化学催化钒的氧化还原反应，但其在苛刻环境下的化学稳定性尚未通过长期循环测试得到全面评估。 除VRFBs外，CPs还被用作其他RFB系统中的电极，包括FeH₂-RFB、锌–铈RFB以及H₂–溴RFB。CPs已在快速增长的有机RFB领域得到广泛应用，在该领域通常采用紧凑型电池配置，以最大限度降低内阻并实现高电池性能。然而，CPs的特征是相较于CFs，其孔隙率相对较低而纤维密度较高，可能导致在较高电流密度下出现显著的质量传递极化现象；因此，CPs所带来的电池性能提升（即更高的功率密度与更优的EE）可能需要抵消由此产生的增强的寄生泵负载，为将CPs用作大规模RFB系统中的电极带来了挑战。例如，Mayrhuber等人通过在CPs上制备具有不同孔径的额外孔洞，以改善商用CPs中的质量传递性能；他们的研究结果表明经激光穿孔处理的CPs在液态电解液中表现出更优的质量传递行为。 1.3碳布 碳布（CC）是一种编织碳纤维，已被广泛用作燃料电池中的气体扩散层（GDL）。由于相对有序的结构，气体可轻松渗透至反应表面，从而实现优异的质量传递效果。RFBs面临的质量传递挑战比燃料电池更为显著。最近的一项建模研究已证实了此观察结果。此外，CCs具有柔韧性且机械性能稳健，使其特别适合用于RFBs，因能在组装过程中提供必要的压缩力。 实验方面，CC最早于1991年由Kaneko及其同事作为RFBs的电极进行了研究，他们比较了两种类型的CC的电化学反应活性。纤维素基CC在反应活性方面优于PAN基CC。然而，在当时，CC的比表面积较低且疏水性较强，主要是因为它们最初是为燃料电池应用而设计的。近年来，得益于开发出具有针对RFBs定制化表面性质的CC，CC在RFBs中的应用重新焕发了活力。例如，ELAT亲水型CC专为RFB系统中的液体传输而设计。Zhao团队已对不同类型的RFBs采用了热处理或碱活化的CC。所有经过处理的CC在RFBs的运行中均表现出优异的电池性能。此外，一些疏水型CC还经过氮功能化处理，以增强其亲水性和电化学动力学性能。 1.4电纺碳纤维 具有较大电活性表面积的ECFs已成为RFBs中极具前景的电极材料。与直径约为数微米的CFs和CPs中的碳纤维相比，ECFs中的纤维直径显著减小，从而大幅提升了比表面积；此外，通过调整静电纺丝工艺中的若干参数，可对碳纤维的直径进行调控。调整是平衡可用于氧化还原反应的表面积与质量传输所需的渗透性所产生的一种结果。Yan课题组与Flox课题组在制备用于VRFBs的非织造ECFs作为电极方面开展了开创性研究。Yan等人证实，碳化温度和时间是影响钒氧化还原行为的关键参数。当碳化温度范围在700°C至1300°C之间时，表面官能团是决定电化学活性的主要因素。然而，当温度从1300°C升高至1500°C时，石墨化过程中边缘平面的形成会显著影响电化学动力学。此外，在碳化过程中引入铁催化剂可增强ECFs的石墨化程度。 图4.ECFs的多种改性方式 绝大多数ECFs均采用PAN作为前驱体，且前驱体浓度各不相同。ECFs的纤维直径随PAN浓度的增加而增大。Zeng等人通过将PAN浓度从9wt%提高至18wt%，合成了平均直径从0.28μm增至1.82μm的碳化纤维，如图4a所示。此调整使得中位孔径几乎呈线性增长（从1.32μm增至9.05μm），显著降低了钒离子传输阻力，同时并未影响电化学活性。此外，木质素作为一种成本低廉、可再生的生物材料，已被用作制备VRFBs用独立ECFs的前驱体。然而，一个持续存在的挑战是：增大纤维直径以提高渗透性往往会导致比表面积急剧下降，从而增加活化过电势。为了解耦这两个相互竞争的因素，研究人员开发了多种策略来制备多孔ECFs，通常通过引入特定的成孔前驱体或次级相来实现。例如，Sun等人提出了几种利用金属盐或聚合物共混物构建分级多孔ECFs的通用策略。其中一种方法是，使用金属Ni纳米颗粒作为催化剂，在ECF表面生长出一层碳纳米纤维的次级结构，经过酸蚀后形成分级结构（图4b）。在随后的方法中，他们使用木质素/PVA/PTFE水性系统开发了高度多孔的微纤维，其中PTFE纳米粒子充当牺牲模板，在碳化过程中分解，留下开放的表面孔（图4c）。该合理设计成功解耦了纤维直径与比表面积之间的权衡关系，使VRFB能够在高达400mA cm⁻²下实现高达79.1%的优异EE。 此外，多种纳米材料已被引入ECFs中，以进一步增强其电催化活性，尤其对V(II)/V(III)氧化还原反应而言。然而，复合电极的长期稳定性在上述研究中并未得到全面分析，因为这些纳米颗粒不仅可能因电解液流动而从ECFs上脱落，还可能在苛刻环境中发生溶解。 除了具有能增强氧化还原反应电化学动力学的较大比表面积外，还需注意ECF基质中异质原子的存在。即使ECFs在高达1500°C的温度下碳化，仍会保留一些含氧和含氮官能团。He等人通过向前驱体溶液中添加尿素，有意将氮含量提高至2.3at.%，因为氮掺杂所导致的表面缺陷和亲水性显著增强，从而大幅提升了V(II)/V(III)氧化还原反应的速率。受此启发，Shi等人还将包括氮和硼在内的其他异质原子共掺入CNF基质中。他们证实氮与硼之间的相互作用决定了对V(IV)/V(V)反应的催化活性。此外，通过化学气相沉积（CVD）将ECFs沉积到现有电极上，可进一步增加电活性位点，从而使电解液中的更多钒离子能够被改性后的电极吸附。 然而，近期研究已凸显了与ECFs相关的固有传质问题。由于ECFs由纳米级纤维构成，其孔径较小，当采用独立式ECFs作为电极时，会引发显著的传质阻力。Xu等人直接应用超薄独立ECF（约50μm厚）作为VRFBs的电极。虽然VRFBs的欧姆电阻显著降低，但由于ECFs的孔径较小，导致严重的浓差极化现象，限制了其在低电流密度下的运行。即使在40mA cm⁻²下，电解液利用率也低于70%，表明必须精心设计ECF的孔径和结构。为解决此问题，同一研究团队采用水平反向共混电纺丝法制备了孔径更大的ECFs。在此方法中，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）以相反方向电纺丝，随后用溶剂去除，从而在最终的ECFs中形成更大的孔隙。该方法有效降低了当ECFs作为VRFBs电极时的质量传输阻力。Liu等人通过使用更高浓度的前驱体溶液来增大纤维直径，解决了ECFs中的质量传输问题。当PAN的浓度从10 wt%增加到13wt%时，平均纤维直径从500nm增至1200nm。最大纤维直径（1200nm）及相应的孔隙率（85%）均完全处于Kok的多物理场建模研究建议的范围内。研究表明平均纤维直径为1–2μm且孔隙率高于85%的电极可在VRFBs中实现最佳性能。除增大孔径外，还提出了其他特殊结构，如定向纤维结构、双尺度纤维结构和束状纤维结构，以增强纤维基质内的电解液传输，从而提升电池性能。例如，Sun等人通过增加相对湿度和收集器旋转速度，制备了单轴取向ECFs（图4d），所得大直径纤维（7–12μm）显著提高了面内和面外水力渗透性。这种结构取向有效降低了浓差极化效应，尤其在垂直于流动方向的排列方式下更为明显。为进一步解决表面积与渗透性之间的权衡问题，研究人员采用双喷嘴静电纺丝技术，将多孔碳纳米纤维编织入定向微纤维支架中，开发出了双尺度ECF结构（图4浓度极化-2下实现了1.9W cm-2的显著峰值功率密度和79.3%的EE。另一方面，发现在制备的ECF上用层状结构装饰氧化石墨烯（GO）对电解液扩散无效。 1.5.其他复合碳材料 近年来，其他至少有一个维度可降至纳米尺度的碳材料已作为RFB系统中的电极材料出现。这类纳米结构材料的主要缺点在于其分散性，要求它们必须支撑在底层碳基底的表面。通常，这些材料被支撑在CF、CP或CC的表面，而非直接用作独立电极。引入纳米结构碳材料可带来若干优势：首先，其比表面积显著增大，从而进一步提升了电极产生的总电流；然而，部分表面积可能无法参与氧化还原反应。其次，可通过改性材料表面特性来促进氧化还原反应，例如引入能够增强表面氧化还原反应可及性的官能团。典型实例包括多壁碳纳米管、介孔碳及纳米结构复合材料。此外，纳米结构材料既能保持碳基材料固有的优异导电性，又能在原始电极中保留纤维间的大孔结构，保留对于确保电池系统内电解液的无阻碍流动至关重要。 1.5.1碳纳米管基复合电极 碳纳米管已被广泛负载于GF和CP上，不仅可增强原始电极的比表面积，还能通过表面功能化过程催化氧化还原反应。通常，这些过程通过热处理或水热处理实现。通过调节这些处理的强度，可精确调控接枝官能团的数量与类型。功能化的碳纳米管可通过粘合剂锚定至支撑材料，或直接通过化学或物理气相沉积工艺生长于CF上。然而，Manahan等人在VRFBs的CP表面引入了薄层MWCNTs。当该薄层应用于负极侧时，VRFB表现出比同层结构应用于正极侧更低的电位极化值，归因于MWCNTs的高比表面积。此外，被称为“bucky papers”的独立MWCNTs亦已被用作无底层碳基底的VRFBs电极。由于制备所得bucky papers的孔隙率较低，传质问题仍是关键关注点。 图5.基于碳纳米管与石墨烯的复合电极 Zhu等人采用聚偏氟乙烯（PVDF）作为粘结剂，在石墨上包覆了碳纳米管。当碳纳米管含量达到5wt%时，该复合电极在V(IV)/V(V)和V(II)/V(III)氧化还原反应中均表现出优异性能，归因于碳纳米管的高电导率。Li等人通过将碳纤维浸入碳纳米管溶液中，再干燥24小时，实现了碳纤维表面覆盖碳纳米管（图5a）。他们研究了具有不同含氧官能团的碳纳米管的电化学动力学特性，发现含有羧基官能团的电极对V(IV)/V(V)氧化还原反应的电活性优于含有羟基官能团或原始多壁碳纳米管的电极。同一研究团队还将羧基功能化的多壁碳纳米管附着于碳纤维上，以评估VRFB的电化学性能。采用0.94wt%多壁碳纳米管负载的碳纤维制成的电池，其EE达到82.0%，比使用原始碳纤维的电池高出4.9%。Lv等人评估了具有不同壁数的CNT对V（IV）/V（V）氧化还原反应的影响，并得出了类似的结论。他们还强调了平衡碳纳米管中OCFG含量与缺陷的重要性，过量的缺陷会降低电导率，从而损害V(IV)/V(V)氧化还原反应的可逆性。然而，Friedl等人在GC上制备了表面功能化的多壁碳纳米管，并利用EIS研究了氧化还原活性。他们发现多壁碳纳米管上的表面官能团不仅损害了V(IV)/V(V)氧化还原反应，还促进了Fe(II)/Fe(III)氧化还原反应。除了将碳纳米管直接涂覆于原始电极上外，通常还会采用CVD法或原位碳化工艺，在碳纤维、碳棒等基底上原位生长碳纳米管，以确保更好的结构完整性。例如，Liu等人开发了一种原位生长策略，通过将硝酸预处理与液相浸渍及随后在1000°C下碳化相结合，成功在碳纤维上生长出空心管状纳米管（图5b）。该方法可获得均匀的纳米管阵列，这些纳米管与纤维基底实现了化学整合（图5c），从而提供了更大的电活性表面积和更易接近的电解液通道。与传统的直接涂覆方法相比，原位生长方式能够确保牢固的界面附着和结构完整性，有效防止活性材料在流动电解液的持续剪切作用下脱落。 基于碳纳米管的材料亦已被研究作为传统三电极电池中Br⁻/Br³⁻的电活性材料。在碳纳米管表面引入OCFGs不仅增加了其比表面积，还促进了该氧化还原反应中的电子转移过程。因此，Munaiah等人将功能化单壁碳纳米管锚定于CFs表面以制备ZBFBs。使用该电极时，该电池相较于采用原始CFs的电池表现出更高的EE和循环稳定性。此外，还可采用纳米结构材料作为支撑基底来沉积其他金属或金属氧化物，从而进一步增强氧化还原反应的电化学活性。预计碳纳米管将继续被广泛用作表面增强材料，以提高氧化还原反应的表观电流，并将与氮等其他杂原子接枝，以增加这些氧化还原反应动力学。然而，碳纳米管增强氧化还原反应的具体机制尚不明确，有待进一步研究。此外，碳纳米管的组成应得到更深入的探讨，尤其是考虑到近期研究已指出碳纳米纤维中的杂质对氧化还原反应的贡献。 1.5.2石墨烯/氧化石墨烯基复合电极

液流电池高低温一体测试台（GDY-1） 2026款产品简介 功能特点 功能：液流电池高低温一体测试台集成液流电池单电池测试系统（标配8套）、高低温环境实验箱、充放电测试仪及控制管理系统于一体，主要用于评估单电池及核心材料（膜、电极、电解液、双极板等）在不同温度下的性能变化规律，为科研用户提供完整实验数据（如能量效率EE、库伦效率CE、电压效率VE、循环性能、极化曲线、功率密度曲线、充放电容量、充放电能量、充放电曲线、自放电性能等）； 特点：控温精准、高度集成、外观精致、密封良好、材料易于更换、整体移动、便于参观展示。 适用体系 根据不同液流体系要求：液–液非沉积型体系+液–固沉积型体系，单电池的材料和结构有适当调整； 全钒、混酸、铁铬、锌铁、钒铁、全铁、硫铁、锌溴、锌镍、锌碘、浆料液流、水系/非水系有机等各种液流电池体系。 技术参数 用户论文 截止2025年12月底，采用我司液流电池测试设备累计发表论文300余篇 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》

第一作者：杨灿 通讯作者：赵天寿 通讯单位：南方科技大学 DOI：10.1016/j.apenergy.2026.128528 感谢南方科技大学赵天寿院士团队校稿！ 工作简介 针对钒–氧液流燃料电池（VOFC），本研究开发了一个经针对性实验验证支持的数值模型，用以阐明极化损耗的成因并确定电池性能优化策略。基于该数值模拟结果的指导，研究人员将铋纳米颗粒电沉积于电极纤维上，提升了阳极反应动力学，并将阳极损耗降低了近83%。经过优化设计后，电池实现了213mW cm⁻²的峰值功率密度，较对照组提高了约177%。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 化石燃料的日益广泛使用及其相关的环境影响加速了间歇性可再生能源的采用，从而催生了对可靠长时储能的需求。氧化还原液流电池因可扩展性、安全性及耐久性而备受青睐，其中VRFBs是最成熟的技术。然而，受到钒盐高成本和正极电解质热稳定性差的限制，在45℃以上条件下，正极电解质可能析出五氧化二钒。为解决这些局限性，Skyllas-Kazacos等人开发了钒–氧燃料电池（VOFC），该电池中氧气替代了正极钒电解质。放电过程中，V²⁺被氧化为V³⁺，而氧气则被还原为水。直接从空气中供应氧气可减少近半量的钒电解质，从而降低成本并拓宽工作温度范围。其可充电的液态燃料和催化剂需求也使得VOFC在大规模可再生能源存储领域展现出广阔前景。 核心内容 1.运行参数优化与极化损耗分析 图1.VOFC的极化曲线及反应过程研究 将阳极电解液流速从1mL min⁻¹增加至10mL min⁻¹，通过增强V²⁺供应和减少浓度极化显著提高了性能；而当流速超过60mL min⁻¹时，性能提升几乎可以忽略不计。类似地，将气流速率从10mL min⁻¹增加至100mL min⁻¹，可大幅改善阴极的质量传输，但在更高流速下，性能提升微乎其微。该电池在40°C下实现了最佳性能。适度加热加速电极动力学，增加离子电导率，降低电解质粘度；然而，电池在60 °C下的性能出现下降，很可能归因于增强的钒迁移与溶剂交叉效应产生了混合电位，并加剧了空气电极的中毒现象，从而抑制了氧化还原反应。尽管离散的测试温度并未明确界定40–60 °C区间内的精确最优条件，但测试结果清晰地揭示了：提升反应动力学与传质效率与加剧溶剂交叉效应之间存在明显的权衡关系。综合考虑电化学性能与泵送损耗因素，最终确定的最佳工况为：阳极电解液流速20mL min⁻¹、气流速率100 mL min⁻¹、温度40 °C，此时可获得77 mW cm⁻²的峰值功率密度。 在这些条件下，采用数值模型对阳极、阴极及欧姆极化损耗进行解耦分析。当电流密度高于约40mA cm⁻²时，阳极极化增幅远快于阴极极化，并随着电流密度从40mA cm⁻²增至280mA cm⁻²，占总损耗的58–64%。因此：一旦浓差极化大大缓解，电池性能主要受到缓慢的V3+/V2+电荷转移动力学和与流动无关的欧姆电阻的限制。模拟的物种分布进一步揭示阳极中V²⁺浓度梯度比阴极中的O₂梯度更为陡峭，是由于钒氧化还原反应主要发生在膜附近、石墨毡阳极厚度达数毫米，且V²⁺的扩散系数（2.4×10⁻¹⁰ m²/s）远低于O₂的扩散系数（1.4×10⁻⁵ m²/s）。因此，阳极处的质量传递和动力学限制更为严重，表明阳极是进一步提升VOFC性能的主要目标。   2.阳极优化 图2.不同阳极的物理化学表征 受VRFBs电极改性策略的启发，首先对石墨毡（GF）进行热处理以改善其表面亲水性，随后通过电沉积法在GF上制备出对V³⁺/V²⁺氧化还原对具有高催化活性的Bi纳米颗粒。SEM图像显示与相对光滑的GF及经热处理的GF表面相比，改性后的纤维表面均匀覆盖着纳米颗粒，从而增加了电化学活性位点的密度。HRTEM和EDS元素分布图进一步证实了Bi在碳纤维上的均匀分布。测得Bi的(110)和(012)晶面对应的晶格间距分别为0.224nm和0.312nm，证实了高度结晶的金属Bi的形成。 XPS分析表明，热处理使相对C–O含量从15%增至28%。经热处理及Bi改性后的电极均表现出完全润湿性，表明含氧官能团显著改善了表面亲水性。增强的润湿性可促进电解质渗透、降低V2+传质阻力，并在电沉积过程中实现与Bi3+前驱体更均匀的接触，从而改善Bi的分散性。Bi 4f谱图显示，在157.17和162.58eV处存在主导的金属Bi峰，同时在159.16和164.91eV处出现较弱的氧化Bi3+峰，归因于电极在空气暴露下发生的轻微表面氧化。 图3.阳极电化学反应分析 在循环伏安法中，TGF-Bi电极测得阳极和阴极峰电流密度分别为38.2mA cm⁻²和−37.4mA cm⁻²，较TGF电极分别提高了45%和53%；其Tafel斜率最低，为212mV dec⁻¹，而TGF电极和GF电极的Tafel斜率分别为224mV dec⁻¹和245mV dec⁻¹，同时其交换电流密度最高，达6.28mA cm⁻²，比TGF电极高87%，比GF电极高461%，表明其电荷转移动力学加速且活化极化降低。EIS测试进一步显示，Bi改性显著降低了电荷转移电阻，但未显著影响欧姆电阻。 采用基于CT重建的GF微观结构的中尺度模型，对局部极化损耗进行了量化分析。在100mA cm⁻²下，模拟的过电势范围从GF的98.4–156.9mV降至TGF的56.5–123.6mV，再降至TGF-Bi的20.2–85.4mV，是由于表面活性的提高、有效反应面积的扩大和铋纳米粒子的催化作用。模拟活性顺序GF<TGF<TGF-Bi与CV、Tafel及EIS结果高度吻合，验证了该模型，并证明TGF-Bi能有效加速VOFCs中的V3+/V2+动力学过程，同时减轻阳极极化效应。   3.电池性能测试 图4.优化后VOFC的性能评估 热处理通过改善电极润湿性并降低传质阻力，将峰值功率密度从77mW cm⁻²提升至134mW cm⁻²；随后的Bi电沉积进一步将峰值功率密度提高至213mW cm⁻²，较GF提升了177%。额外的性能提升主要归因于加速的V³⁺/V²⁺动力学：TGF-Bi的交换电流密度比TGF高出87%，比GF高出461%，从而降低了活化极化。热处理还促进了Bi³⁺前驱体的均匀渗透及Bi的均质沉积，最大化了催化效益。 在20mA cm⁻²下，采用TGF-Bi阳极的VOFC电池表现出更高的、更稳定的放电平台以及比基于GF的电池更大的容量。平台电压和放电容量分别提升了12%和44%，对应增益分别为100mV和105.3mAh。数值分析进一步揭示，在大部分研究的电流密度范围内，阳极极化损耗平均降低了83%。该电池还成功为LED面板供电，证明实际性能。 核心结论

本网站免费 帮助企业或课题组招聘液流电池人才 精准覆盖液流电池行业人员1万余人 有需求请添加微信号（15623629574）   课题组简介 钱雪峰，上海交通大学化学化工学院长聘教授、博士生导师。长期致力于功能纳米材料设计、无机材料合成及能源催化转化等领域研究，在纳米结构调控、界面工程及先进能源材料方面取得了系列创新成果。 宰建陶，上海交通大学化学化工学院副教授，上海市高层次人才。主要围绕无机功能材料设计与制备、电化学能源存储与转换、催化材料及界面调控开展研究，致力于发展面向能源存储与环境催化的新型材料体系。 钱雪峰、宰建陶课题组围绕国家“双碳”战略和能源转型需求，聚焦先进无机材料构筑、电化学储能及催化转化技术，通过材料精准合成、界面结构调控、多尺度表征及电化学机制研究，发展新一代高性能能源材料与器件。课题组研究成果发表于 Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、Appl. Catal. B: Environ. 等国际高水平期刊。 现面向国内外公开招聘优秀博士后，诚邀具有创新意识和科研热情的青年人才加入团队，共同开展高水平原创研究。有意者请将个人简历发送至：Email：zaijiantao@sjtu.edu.cn   一、招聘方向 方向一：无机功能材料设计、合成及催化性能研究 围绕先进无机材料的可控制备与催化应用，开展： 新型无机纳米材料、异质结构材料及复合材料的设计与合成； 缺陷工程、界面工程及电子结构调控； 多金属活性位点构筑及催化机制研究； 面向能源转化、环境催化及资源循环利用的催化材料开发。 方向二：固态电池关键材料与界面调控 围绕下一代高安全、高能量密度储能技术，开展： 固态电解质材料设计与制备； 固态电池电极/电解质界面调控； 离子传输机制及界面反应研究； 高性能固态锂电池、钠电池等新型储能体系开发。 方向三：液流电池及大规模储能技术 面向大规模储能需求，开展： 水系液流电池关键材料开发； 电极催化材料设计与界面调控； 电解液体系优化及电荷传输机制研究； 新型高性能液流电池体系构筑。   二、招聘岗位 博士后年龄一般不超过35周岁，已获得博士学位或已通过博士学位论文答辩；具有以下相关专业背景之一：材料科学与工程；化学；化学工程；电化学；能源材料；无机材料等相关领域；具有无机材料合成、电催化、储能材料、电池体系等相关研究经验；近3年以第一作者身份发表过高水平SCI论文；具备独立开展科研工作的能力，具有良好的英文阅读、写作及国际交流能力；具有严谨的科研态度、良好的团队合作精神和学术诚信。   三、岗位待遇   1.具有竞争力的薪酬待遇：博士后基本年薪不低于24万元（税前），具体待遇根据申请人的科研背景和成果水平协商确定；支持申请国家博士后创新人才支持计划、国家资助博士后研究人员计划、上海市博士后相关人才项目等，获资助者按照学校政策享受相应待遇。 2.良好的科研环境：提供充足稳定的科研经费支持；配备先进材料制备、电化学测试及结构表征平台；支持参加国内外学术会议及开展国际合作交流。 3.完善的人才发展保障：按照上海交通大学博士后管理政策办理相关手续；享受社会保险、公积金等福利待遇；支持博士后在站期间及出站后职业发展；优秀博士后可根据上海交通大学相关政策申请长聘教轨岗位。   四、申请方式 请有意申请者将以下材料发送至：zaijiantao@sjtu.edu.cn；邮件标题请注明：“博士后申请 + 姓名 + 研究方向”。申请材料包括： 个人简历（含教育经历、科研经历、代表性论文）； 研究成果简介； 未来研究计划。 课题组将对申请材料进行审核，并安排面试。

第一/通讯作者：郭雷 共同通讯作者：何忠义 通讯单位：铜仁学院、华东交通大学 工作简介 随着可再生能源的大规模开发与高比例并网，构建具有高安全性、高可靠性和长周期运行能力的大规模储能技术成为新型能源体系发展的关键需求。液流电池凭借活性物质与电化学反应单元解耦、容量扩展灵活、循环寿命长以及安全性高等优势，在长时储能领域受到广泛关注。碱性锌锰液流电池（Alkaline Zn–Mn Flow Batteries，AZMFB）以资源丰富、成本低廉的锌和锰元素作为活性物质体系，兼具较高理论能量密度和良好的经济性，被认为是极具发展潜力的水系储能技术之一。然而，在强碱电解环境下，锌负极仍面临不可逆沉积、枝晶生长、析氢反应以及腐蚀副反应等关键问题。这些界面失稳行为会导致锌沉积/剥离过程可逆性下降，引起电极极化增加、活性物质利用率降低，并最终限制电池循环寿命。 针对上述科学问题，铜仁学院郭雷教授团队联合华东交通大学何忠义教授团队及沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学Viswanathan S. Saji教授，提出了一种基于绿色有机添加剂工程的锌负极界面调控策略。研究团队引入具有良好水溶性、生物可降解特性和多配位活性位点的葡萄糖酸钠（Sodium gluconate, SG）作为阳极电解液功能添加剂，通过调控Zn2+局域溶剂化环境，实现对锌离子迁移行为、界面反应动力学以及沉积形貌演化过程的协同调节。 研究结果表明，SG分子中的羧酸根和羟基官能团能够与Zn2+发生特异性配位作用，参与构建新的锌离子溶剂化结构，形成稳定的混合配位络合物，从而优化Zn2+传输过程并促进均匀化锌成核。基于该策略构建的碱性锌锰液流电池在60 mA cm−2高电流密度条件下实现超过600圈稳定循环，库仑效率达到95.6%，能量效率达到81.4%，峰值功率密度达到95.9 mW cm−2，循环寿命较未添加SG体系提升约两倍。 相关成果以“High-performance alkaline zinc-manganese flow batteries enabled by an advanced sodium gluconate additive” 为题发表于国际能源存储领域期刊Journal of Energy Storage。 感谢铜仁学院郭雷教授团队供稿！ 本文所用螺栓型单电池测试夹具（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 碱性锌锰液流电池通常采用金属锌作为负极活性材料，并利用高锰酸根/锰酸根液相氧化还原体系作为正极反应对。相比传统MnO2沉积/溶解型锰基体系，液相锰氧化还原体系能够避免固相产物持续累积导致的电极钝化、活性物质损失以及反应动力学衰减问题，同时具备较高反应电位和快速电子转移特征。 然而，锌负极在碱性环境中的沉积行为高度依赖锌物种配位结构、电解液传质过程以及电极/电解液界面微环境。传统碱性体系中，四羟基锌酸根作为主要锌络合物，在电场驱动和浓度梯度作用下容易产生局部离子通量不均，使Zn2⁺优先向电极表面高曲率区域迁移，并诱导非均匀成核和枝晶生长。与此同时，金属锌与强碱性电解液中的活性水分子及OH⁻持续接触，会促进析氢反应和自腐蚀过程，进一步降低锌负极利用率和电化学可逆性。目前，通过三维电极结构设计、界面涂层修饰以及隔膜功能化改性等方法，可以在一定程度上改善锌沉积行为。然而，这些策略通常涉及复杂材料制备过程，并增加电池系统制造成本。相比之下，通过引入功能型电解液添加剂调控局域溶剂化结构和界面反应环境，具有操作简便、成本可控以及易规模化应用等优势。 基于葡萄糖酸钠分子中丰富的含氧官能团，研究团队提出利用SG的多齿配位特性调节Zn2⁺溶剂化结构，并进一步优化锌负极沉积动力学的新策略。 图1 SG调控Zn2+溶剂化结构及锌沉积行为并构建高性能碱性锌锰液流电池的设计示意图 核心内容 1. SG稳定存在并优化锌物种传输行为 在研究初期，研究团队首先系统评价了SG在强碱环境中的化学稳定性。实验结果显示，SG加入6 M NaOH电解液并静置100小时后，体系未出现明显颜色变化或沉淀现象，同时静置前后的循环伏安曲线保持高度一致，表明SG能够在AZMFB强碱运行条件下保持稳定存在。进一步的循环伏安和旋转圆盘电极测试表明，引入SG后，四羟基锌酸根/锌氧化还原过程表现出更优的电化学可逆性，同时未改变锌物种基本扩散机制。由于SG与Zn2⁺之间存在配位作用，其能够适度调节锌物种迁移行为，降低电极表面局部离子浓度梯度，从而改善界面区域Zn2⁺通量分布。通过系统优化SG浓度发现，0.1 M SG能够在界面稳定化作用和离子传输动力学之间实现最佳平衡。较低浓度下，SG难以形成充分的界面调控作用；而过高浓度则可能增加界面传输阻抗。因此，0.1 M SG被确定为后续机理研究和电池性能评价的最佳添加浓度。 图2 不同电解液体系中的循环伏安行为、旋转圆盘电极测试及Zn物种传输特性分析