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
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》
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 mA cm–2，乙醇酸的产率由0.19 mmol cm–2 h–1增至1.47 mmol cm–2 h–1，且法拉第效率（FE）和选择性均保持在96%以上。充电过程中，150 mA cm–2下氢气的产率达到2.79 mmol cm–2 h–1，FE接近100%。为评估OLFB的长期稳定性，在100 mA cm–2下进行了200次循环测试（总计150小时）。结果显示，CE和EE的循环衰减率低于0.013%每圈，容量衰减率低于0.035%每圈，放电电压在整个过程中保持稳定（图3f），且乙醇酸能以高产率（~0.91 mmol cm–2 h–1）和高FE（约98%）持续生成，充分证明了OLFB的长期运行稳定性。
图3. EGOR/HER||VO2+/VO2+OLFB体系的性能
3. OLFB体系的普适性验证
进一步将放电过程中负极电解液中的乙二醇氧化反应替换为其他有机化合物的氧化反应，以评估OLFB的普适性（图4）。结果表明，多达13种醛类（甲醛氧化制甲酸、糠醛氧化制糠酸等）和醛类（甘油氧化制乳酸、苯甲醇氧化制苯甲酸等）氧化反应均适用于OLFB体系。同时，多种典型的液流电池正极电对（包括：Fe3+/Fe2+、[Fe(CN)6]3–/[Fe(CN) 6]4–、MnO4–/MnO42–、TEMPO‑OH等）也可应用于该OLFB体系。
图4. 不同有机物作为负极电解液时OLFB的性能
4. OLFB放大与真实应用场景验证
进一步，将OLFB的电极面积放大并与光伏板集成，实现太阳能供电（图5a）。实验结果表明，该体系可在白天在太阳能驱动下充电，并在夜间放电，为LED灯泡供电（图5b）。随后，模拟白天充电、夜间放电的真实应用场景，进行了为期10天的连续测试。如图5c所示，太阳能驱动的OLFB总充电时长为65.3小时，平均充电电压为2.85 V；总放电时长为55.1小时，平均放电电压为1.73 V，共放电输出电能948.6 Wh。如图5d所示，放电过程稳定生产乙醇酸，法拉第效率（FE）>90%，平均产率177 mmol h–1，累计产量达743.1 g；充电过程稳定产氢，FE >90%，平均产率4.18 L h–1，累计产氢272.9 L。将10天运行所得产物分离与纯化，最终获得了532.2 g乙醇酸产品，纯度达97.2%（图5e–f）。上述结果证明了OLFB在消纳可再生能源、同步实现储能与化学品、氢气合成方面的巨大潜力。
图5. 太阳能驱动的OLFB性能测试及化学品、氢气制备性能评价
5. 技术经济分析和生命周期评价
为评估OLFB的经济性，本工作针对0.33 MW和1 MW两种规模，首先基于Aspen Plus过程模拟开展了涵盖资本成本、运行成本和材料成本在内的综合技术经济分析（TEA，图6a）。结果表明，0.33 MW规模全钒液流电池（VRFB）的平准化电力成本（LCOE）为0.16$/kWh；当规模扩大至1 MW时，由于平均运行成本下降，LCOE进一步降至0.12 $/kWh（图6b）。相比之下，1 MW规模OLFB凭借生产乙醇酸和氢气所带来的额外收益，其LCOE降至–0.26$/kWh（即，存储一度电带来0.26美元的收益），展现出显著的盈利潜力。值得一提的是，这一数值远低于美国能源部（DOE）设定的目标值（0.05$/kWh）。盈利能力核算进一步表明，1 MW的OLFB系统年利润可达176万美元，具有较强的经济竞争力。
此外，生命周期评估（LCA）结果显示，采用光伏供电后，OLFB和VRFB的大多数环境影响因子均显著降低。将供电方式由煤电（4.36 kg CO2当量/千瓦时）切换为光伏系统（2.29 kg CO2当量/千瓦时）后，OLFB系统的碳足迹降低了约2倍，充分体现了太阳能驱动OLFB在可持续方面的优势。
图6. OLFB系统的技术经济分析（TEA）与生命周期评估（LCA）