September 2, 2026

第一作者：包道日娜、李友 通讯作者：包道日娜 通讯单位：内蒙古工业大学、深圳技术大学 DOI：10.1016/j.ijoes.2026.101492   工作简介 针对传统蛇形流场厚度方向传质不足且压降与泵耗较高的问题，本研究提出一种用于全钒液流电池（VRFB）的波动型流场（UFF）。该流场采用中心入口、上窄下宽的五边形通道和多条横向通道，通过倾斜肋面引导电解液向多孔电极内部渗透。研究结合三维耦合多物理场模拟与单电池实验，对传统蛇形流场（SFF）和UFF-7、UFF-9、UFF-11进行系统比较。结果表明，UFF可提高活性物种分布均匀性；在130 mL·min⁻¹下，UFF-11相较SFF将压降和泵功率损失降低55.41%。在30 mL·min⁻¹、200 mA·cm⁻²的低流量高负荷条件下，UFF-11的放电容量提高约165 mAh，最大功率密度提高11.74 mW·cm⁻²，能量效率提高4.29%，计及泵耗后的净系统能量效率也显著提升，为VRFB流场结构优化提供了新思路。 感谢内蒙古工业大学包道日娜团队（第一作者：李友）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 全钒液流电池具有安全性高、循环寿命长以及功率和容量可独立设计等优势，但其性能仍受到传质极化、欧姆损失和辅助能耗的制约。流场结构决定电解液在通道和多孔电极中的分配方式，并进一步影响活性物种利用、反应均匀性、压降和泵耗。传统蛇形流场主要依靠相邻通道间压差使部分电解液进入肋下区域，厚度方向补给有限；交指型流场虽能迫使电解液穿过电极，却往往伴随较高流动阻力。现有优化多关注平面内通道布局、截面形状和局部路径，对流场诱导的电极厚度方向渗透及膜侧反应物供给研究仍不充分。因此，在降低水力损失的同时强化厚度方向传质，是提升VRFB在低流量、高电流密度条件下性能和系统效率的关键。 核心内容 1.传统流场的传质瓶颈与波动型流场设计理念 图1 传统蛇形流场（SFF）及不同通道数波动型流场（UFF-7、UFF-9和UFF-11）的三维结构 传统蛇形流场中，大部分电解液沿主通道流向出口，仅有一部分在相邻通道压差作用下穿过肋下多孔电极，容易在电极中后部及出口附近形成反应物贫化区。交指型流场通过封闭通道末端强化穿透流动，但强制流经多孔介质会增加压降和循环泵能耗。由此可见，单纯提高流量虽能缓解浓差极化，却可能以更高辅助能耗为代价，难以兼顾电化学性能与系统净效率。 本研究提出的UFF采用中心进液、两侧出液以及周期性横向通道，并在通道与电极接触界面设置上窄下宽的五边形截面。迎流倾斜面将部分沿通道方向的动量转化为垂直电极表面的速度分量，使电解液在通道与石墨毡之间周期性起伏渗透，从而强化电极厚度方向对流传质。通过改变横向通道数量和肋宽，进一步构建UFF-7、UFF-9和UFF-11三种方案，用于分析结构参数对传质与水力性能的影响。   2.波动型流场构建、数值模型及实验验证 图2 SFF与UFF中的电解液流动路径示意图 图3 模型验证、网格无关性检验及实验装置：（a，c）压降和放电电压的网格无关性；（b）模拟与实验充放电曲线对比；（d）实验平台及SFF/UFF流场板 图4 不同流场下负极多孔电极内的电解液速度分布及特征线速度 研究建立了包含自由流、Brinkman多孔介质流动、Nernst–Planck物质传递及Butler–Volmer反应动力学的三维耦合模型，并以25 cm²实验单电池进行验证。模型在50 mL·min⁻¹、50 mA·cm⁻²条件下对SFF充放电曲线的预测与实验趋势一致，充电和放电平均误差分别约为1.6%和1.9%。在统一电池尺寸、入口和出口位置及通道截面参数的前提下，对SFF与三种UFF的速度场、压力场、活性物种浓度、过电位和效率进行对比，并结合不同流量和电流密度下的实验结果验证结构优化效果。   3.波动型流场的流动特性与低压降优势 图5 不同流场的压力特性：（a）压降；（b）泵功率损失；（c）压力分布 图6 SFF与UFF中的电解液流线及不同流场下V²⁺浓度分布 速度场结果显示，SFF中的电解液主要沿通道流动；UFF的中心入口与倾斜肋面则形成显著的厚度方向速度分量，使电解液深入电极，并在较低主流速度下维持有效肋下对流。横向通道增多、肋宽减小后，速度分布更加均衡，UFF-11的区域速度差异最小。各结构压降均随流量增加，但始终为SFF＞UFF-7＞UFF-9＞UFF-11。在130 mL·min⁻¹下，三种UFF相较SFF的压降分别降低44.41%、49.73%和55.41%，泵功率损失趋势一致，表明UFF-11兼具较低局部阻力和辅助能耗。   4.活性物种分布均匀性与极化抑制机理 图7 不同SOC下各流场活性物种的浓度均匀性系数 图8 不同流场的放电电压与过电位对比 流线与V²⁺浓度分布表明，SFF在主流方向上出现逐渐扩大的低浓度区域，而UFF可引导更多流线穿入多孔电极，改善膜侧及电极内部的反应物补给。在50 mL·min⁻¹、100 mA·cm⁻²下，随着SOC由0.8降至0.2，反应物分布均匀性均有所下降，但UFF系列在各放电阶段的均匀性系数均高于SFF，且优势在中后期更加明显。相应地，UFF在30–130 mL·min⁻¹范围内均表现出更高放电电压和更低过电位；在30 mL·min⁻¹下，UFF-7、UFF-9和UFF-11的过电位相较SFF分别降低14.04%、12.71%和11.15%。综合传质、电化学表现及水力损失，研究选取压降最低的UFF-11开展后续实验。   5.低流量高负荷条件下的单电池性能验证 图9 30 mL·min⁻¹下SFF与UFF-11在不同电流密度下的实验充放电曲线、放电容量和功率密度 […]

第一作者：肖伟 通讯作者：张登华，刘杰，李宁 通讯单位：辽宁石油化工大学，中国科学院金属研究所 DOI：10.1016/j.memsci.2026.126086 感谢辽宁石油化工大学张登华老师校稿！ 工作简介 本研究设计了超薄二维锆基有机框架纳米片，以在全氟磺酸基质中构建选择性的界面质子传输通道。将原始的二维Zr-BTB纳米片通过与对苯二甲酸进行后合成配体交换，引入丰富的羧基，从而制备出工程化二维Zr-BTB-BDC填料。独特的二维形貌提供了巨大的比表面积，最大限度地增强了与主体聚合物链的相容性，并在1.5wt%的优化负载量下构建了无缺陷的复合材料结构。得益于较大的横向尺寸及层状屏障效应，体积较大的钒离子被迫通过迂回路径迁移，使钒离子渗透率降低至2.23×10⁻⁷cm² min⁻¹；与此同时，二维表面上密集的羧基基团构建了连续的质子跳跃通道，使质子电导率提升至42.3mS cm⁻¹，并获得18.97×10⁴ S min cm⁻³的离子选择性。在VFBs中进行测试时，复合膜在200mA cm⁻²下展现出高达82.5%的优异EE，开路电压衰减时间显著延长至4213.5分钟；在80%SOC下，峰值功率密度达763.23mW cm⁻²；此外，该膜在连续800次循环中保持稳定运行，且每循环的容量衰减率极低，仅为0.08%。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 作为钒电池（VFBs）中的关键组件，离子交换膜用于分隔正负极电解质，同时允许质子传输以在充放电过程中维持电荷平衡。该膜需同时具备高质子电导率、低钒离子渗透性、良好的尺寸稳定性、强化学耐受性以及足够的机械强度。这些性能直接决定了CE、EE、EE、容量保持率以及长时循环稳定性。然而，要在单一膜材中实现快速质子传输与有效的钒离子阻隔仍具挑战性，因为两项过程均与膜内水合离子传输通道密切相关。 核心内容 图1.Zr-BTB与Zr-BTB-BDC的合成与结构表征 纳米片的合成路线为：ZrCl4与H3BTB反应生成原始Zr-BTB纳米片，随后通过与BDC进行后合成配体交换，对这些纳米片进行富羧基修饰。TEM显示纳米片具有高度柔性、透明和皱缩的层结构，横向尺寸延伸数微米，对于在PFSA基质中创建曲折的扩散路径非常有利。AFM形貌扫描图及相应的高度分布曲线表明剥离纳米片具有均匀且明确的5.65 nm厚度。高长径比结构对于最大化与主体聚合物链之间的界面相互作用面积至关重要。 XRD图谱显示原始Zr-BTB在低角度处呈现出强而尖锐的衍射峰，表明具有高度有序的晶格结构。经BDC进行后合成修饰后，Zr-BTB-BDC的特征衍射图谱与原始样品几乎完全一致。反射峰的保留表明在配体交换过程中，材料的框架仍保持长程结构有序性及晶体稳定性。此外，FTIR分析显示两种样品在3400.56cm⁻¹附近均出现一条宽吸收带，对应于羟基及相关水分子的伸缩振动。特征峰的出现与强度增强证实了BDC的成功引入。位于1580.92 cm⁻¹和1415.07cm⁻¹的吸收带分别对应于羧酸酯基团的不对称与对称伸缩振动。此外，位于552 cm⁻¹处的持续峰对应于Zr-O伸缩振动的特征峰，表明材料的结构核心保持完整，而表面化学性质已成功富集了羧酸官能团。 图2.Zr-BTB与Zr-BTB-BDC的织构、成分及表面电荷特性表征 N₂吸附支曲线计算得到的孔径分布曲线显示两种材料均呈现出相同的、以0.4nm孔径为中心的尖锐微孔分布，表明框架骨架在修饰后仍保持完整。两条等温线均在相对压力低于0.1时表现出快速的气体吸附行为，符合微孔材料典型的I型等温线特征。引入BDC后，最大N₂吸附容量从125cm³ g⁻¹降至110cm³ g⁻¹。这种有目的的孔隙体积减小现象证实了补充的BDC配体占据了部分内部空隙空间，从而验证了配体在孔隙内的成功锚定。 并且，在水性分散体系中测得的zeta电位变化曲线显示原始Zr-BTB因存在不饱和锆位点和末端羟基基团而呈现+32.9mV的正表面电荷；作为对比，Zr-BTB-BDC的zeta电位急剧下降至-5.69mV的负值。表面电荷的反转源于改性骨架外层上大量存在的去质子化羧基基团。因此，丰富的酸性位点密度显著提升了离子传输能力。此外，IEC从原始Zr-BTB的0.78mmol g⁻¹增至Zr-BTB-BDC的0.95mmol g⁻¹。升高的IEC证实经羧基官能化处理的二维结构可提供更多活性交换位点，对于构建连续的氢键网络以及加速膜界面处的选择性质子跃迁至关重要。 图3.膜的形貌、结构、力学及传质性能 原始膜具有光滑且均匀的表面形貌；而当加入未改性的Zr-BTB时，膜表面出现明显的颗粒团聚现象及结构不均匀性，表明其界面相容性较差；作为对比，P/Zr-BTB-BDC膜则呈现出致密、光滑且均匀的表面，未见明显团聚体。并且，P/Zr BTB复合材料在填料–聚合物边界处显示出微孔和局部相分离，可能会导致非选择性泄漏途径。相反，P/Zr-BTB-BDC膜具有结构紧凑、连续且无缺陷的内部基质。形貌改进证实了：功能化二维纳米片上丰富的羧基极大地增强了其与宿主PFSA链之间的界面结合力及相容性。 机械耐久性测试显示商用N212膜与原始PFSA膜均呈现标准的机械性能曲线，基线拉伸强度值分别为相应数值。而引入未经改性的Zr-BTB后，由于局部应力集中作用，其拉伸强度降至20.9MPa；作为对比，P/Zr-BTB-BDC则展现出高达35.7MPa的优异拉伸强度以及显著提升至422.7MPa的拉伸模量。有针对性的机械性能提升归因于改性填料表面丰富的羧基基团与基体材料中的磺酸基团形成了致密且相互嵌合的界面氢键网络。此外，P/ZrBTB-BDC膜的吸水率高达18.6%，超越了原始PFSA膜与N212膜。增强的水亲和性源于其锚定羧基单元所具有的亲水性特征。尽管P/Zr-BTB-BDC膜吸收了更多水分，但溶胀比仅为3.3%，处于最低水平。刚性二维框架纳米片作为强效的机械约束结构，有效抑制了亲水性离子通道发生的过度各向同性溶胀，从而在水储存能力与尺寸稳定性之间实现了最佳平衡。 同时，EIS测试显示改性膜的面电阻显著下降至78mΩ cm²。因此，P/Zr-BTB- BDC样品展现出最高的质子电导率（42.3mS cm⁻¹），性能远优于原始PFSA样品及商用N212基准样品。质子传输速率的显著提升证实了丰富的羧基可作为高效介体位点，从而在填料聚合物界面处形成低势垒的连续跃迁路径。 钒渗透测试显示P/Zr-BTB-BDC膜的扩散斜率显著低于N212和原始PFSA膜，证明了具有更强的阻隔效应。P/Zr-BTB-BDC膜实现了最低的钒渗透率（2.23×10⁻⁷cm² min⁻¹）以及最高的离子选择性（18.97×10⁴S min cm⁻³）。 图4.所制备膜的VFB性能 得益于对钒离子渗透性的高度抑制，P/Zr-BTB-BDC膜始终能保持较高的CE。即使在高电流负载下，CE仍维持在95.82%。与此同时，降低的电压极化程度使得P/Zr-BTB-BDC电池能够保持优异的VE，从而有效抵消了在高倍率运行时通常出现的效率下降现象。因此，高CE和VE的结合最终使P/Zr-BTB-BDC膜的EE曲线优越，在整个操作窗口内明显优于原始和未经修改的控制。 此外，在200mA cm⁻²下进行延长的充放电循环测试显示采用商用N212膜与原始PFSA膜构建的电池表现出加速的容量衰减现象，且因电解液的累积性渗透与降解而在完成400次循环前便提前终止；相比之下，P/Zr-BTB-BDC膜则展现出卓越的循环耐久性，成功维持了长达800次的连续循环运行。在测试结束时，容量保持率仍维持在33.51%，意味着其容量衰减速率极低，仅为每循环0.08%。 核心结论 本研究通过采用羧基功能化的二维锆框架纳米片来构建选择性界面质子传输通道成功制备出一种高性能复合膜结构。与传统的各向同性颗粒材料相比，剥离的二维纳米片具有较高的长径比和巨大的横向尺寸，迫使体积庞大的水合钒物种沿高度迂回的路径迁移。通过后合成配体交换法，可在不破坏核心晶体骨架的前提下，将丰富的羧基修饰于该二维大面积表面。当负载量为1.5wt%时，二维纳米片所具有的巨大界面接触面积最大限度地增强了其与主体聚合物链的相容性，彻底避免了非选择性空隙形成及相分离现象的发生。由此在二维填料与聚合物界面处形成的互锁氢键网络充当了加速质子跃迁的“高速公路”，使材料达到42.3mScm⁻¹的峰值电导率，同时有效抑制了钒离子的跨膜迁移，从而实现了18.97×10⁴S min cm⁻³的离子选择性。电池评估表现为在200 mA cm-2下具有82.5%的优异EE，4213.5分钟的延长自放电保持时间，763.23 mW cm-2的高功率密度，以及在800次循环中前所未有的循环耐久性，容量损失最小。