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第一作者：孟庆志 通讯作者：宋纯利、储本发、张中标 通讯单位：安徽理工大学& 北京碧水源膜科技股份有限公司 成果简介 高性能、低成本阳离子交换膜的研发，是推动碱性锌铁液流电池规模化应用、助力可持续储能产业发展的核心关键。本研究针对传统磺化工艺存在的磺化度失控、聚合物主链易降解等痛点，采用预磺化单体共聚法，实现磺化聚苯砜（SPPSU）膜的可编程磺化精准调控，进而优化膜材料微观结构与综合性能，该制备策略既能精准把控磺化度，又能完整保留聚合物主链结构，大幅提升膜材料整体稳定性。 本文所制备的系列膜材料兼具适度吸水率、可控溶胀性、高离子电导率，以及优异的机械与热稳定性，其中0.5-SPPSU膜性能最优，适配碱性锌铁液流电池严苛工况。将其应用于碱性锌铁液流电池，在200 mA cm⁻²电流密度下，能量效率高达80.61%，库仑效率达98.73%，且展现出出色的长期循环稳定性，连续1000次循环后性能无明显衰减。 该研究通过刚性主链与精准磺化调控，实现膜材料各项性能的最优平衡，为定制化高性能阳离子交换膜开发提供了可行路径，在碱性锌铁液流电池领域展现出巨大应用潜力。相关成果以“High-Performance Zinc–Iron Flow Batteries Enabled by Programmable Sulfonation of Poly(phenylene sulfone) Membranes”为题发表在《Journal of Polymer Science》期刊上。 感谢安徽理工大学张中标团队供稿！ 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 全球可再生能源快速发展，太阳能、风能等间歇性能源并网应用，对大容量、长寿命、低成本储能技术需求愈发迫切。碱性锌铁液流电池凭借原料成本低廉、安全性高、电解液稳定性好、环境友好等优势，成为电网级大规模储能的优选技术，具备极强的产业化前景。 离子交换膜是碱性锌铁液流电池的核心部件，主要承担选择性离子传输、阻隔正负极活性物质交叉渗透的关键作用，直接决定电池效率、循环寿命与整体成本。目前商用全氟磺酸膜（如Nafion系列）虽化学稳定性优异，但存在成本高昂、离子选择性一般、活性物质渗透严重等问题，易导致电池容量衰减、效率降低，极大限制了其大规模应用。 磺化芳香族聚合物是替代全氟磺酸膜的理想材料，其中磺化聚苯砜机械强度高、热稳定性与耐化学腐蚀性突出，适合用作液流电池离子交换膜基材。但传统后磺化法存在明显短板，磺化度难以精准控制，强磺化剂易破坏聚合物主链，导致基团分布不均、膜材料过度溶胀、机械性能骤降，无法兼顾离子传导与尺寸稳定性。 基于上述行业痛点与现有技术短板，本研究摒弃传统后磺化工艺，采用预磺化单体共聚路线，从源头实现磺化度的可编程精准调控，同时依托聚苯砜本身的刚性骨架，保障膜材料具备优异的力学性能与热稳定性，最终制备出综合性能均衡优异的SPPSU膜，有效平衡离子传导性、尺寸稳定性与机械耐用性，为碱性锌铁液流电池提供了高性能、低成本的核心膜材料解决方案。   核心内容 1 SPPSU膜的合成与结构表征 方案1| SDCDPS（a）和间位SPPSU（b）的合成. 采用核磁共振氢谱（¹H NMR）对系列膜材料进行结构表征，确认磺化基团成功接入且分布均匀，通过特征峰积分计算实际磺化度，与理论投料比例高度吻合；傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证砜基、醚键、磺酸基团等特征官能团，证实聚合物结构完整无降解；凝胶渗透色谱（GPC）测试表明，聚合物分子量达标，聚合反应高效完全。 图1| 0.4-SPPSU（a）、0.5-SPPSU（b）和0.6-SPPSU（c）在DMSO-水溶液中的1H NMR光谱6.   2 SPPSU膜的热稳定性、机械性能与微观形貌 通过热重分析（TGA）测试膜材料热稳定性，结果显示，系列SPPSU膜初始热分解温度均高于480℃，具备优异的热稳定性，完全满足电池长期运行工况需求；随着磺化度升高，热分解温度略有下降，但仍远高于常规使用温度，无热分解风险。 万能材料试验机测试结果表明，干燥状态下SPPSU膜拉伸强度优异，满足电池组装与长期运行的机械应力要求；湿态下膜材料韧性提升，拉伸强度略有下降但仍处于合格范围，磺化度升高会小幅降低拉伸强度、提升断裂伸长率，整体机械性能适配实际应用。 扫描电镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）测试显示，所制备的SPPSU膜表面光滑平整，无裂纹、针孔、气泡等宏观缺陷，微观相分离结构清晰，疏水性主链区域与亲水性磺酸基团区域分界明显，亲水域连续贯通，形成高效离子传输通道，同时膜结构致密，可有效阻隔活性物质渗透。 图3| m-SPPSU的光学照片（a-c）和SEM图像（d-f）。   3 […]

第一作者：李云璇 通讯作者：周明月 通讯单位：中国石油大学（北京） 成果简介 水系锌基液流电池（ZFBs）在大规模储能领域展现出巨大潜力。然而，由于锌沉积过程受电极表面及离子电势的影响，导致锌沉积不均匀，从而引起锌枝晶及面容量受限等问题。本研究，中国石油大学（北京）周明月团队提出一种双层电极架构的空间可控沉积策略，该架构以SnO2功能化碳毡（SnO2@CF）作为底层，原始碳毡（PCF）作为顶层。这种结构通过引入成核过电位和锌亲和力梯度，将沉积分布从集中于近膜侧表面堆积转变为全空间均匀分布。基于此，双层电极组装的锌基液流电池实现了330 mAh cm−2的超高面容量和1100 mAh cm−3的超高体积容量，较传统电极提升65%。即使在240 mAh cm−2面容量下和100%深度充电100%深度放电的严苛条件，该电池仍展现出超过175次循环的优异耐久性。本研究通过双层电极设计明显拓展了锌沉积的体积利用率，为调控空间沉积行为提供了稳健策略。 相关成果以“A Bilayer Electrode Architecture Enabling SnO2-Induced Spatial-Controllable Zinc Deposition for Ultra-High-Areal-Capacity Zinc-Based Flow Batteries”为题发表Advanced Materials期刊上。 感谢中国石油大学（北京）周明月团队（第一作者：李云璇）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   研究背景 锌负极电极改性策略，如杂原子掺杂（P、N、B和O）以及金属/金属氧化物涂层（例如Cu、CuO、Sn、Ag和In），通过增加成核位点和增强电活性成功提高了锌镀层的均匀性。这些方法主要集中在二维尺度或单层基质内的沉积均匀化上。然而，锌沉积仍受离子电势的影响主要沉积在近膜侧电极表面，导致电极内部未被充分利用。即使尝试梯度改性，通常也仅限于单一碳毡且梯度幅度较窄，从而对锌沉积能力的提升有限。此外，大多数报道的策略都应用于相对较厚的碳毡（例如5mm），不仅增加了堆叠厚度，还导致更大的电解液电阻。因此，尽管改性碳毡实现了更高的锌沉积能力，但电极材料的实际利用率仍然较低，导致体积容量较低。 图1 示意图展示了使用原始碳毡（PCF）与复合碳毡（PCF-SnO2@CF）时锌沉积深度差异 从概念上讲，本文假设在电极内部设计一个陡峭的热力学和动力学梯度可以抵消表面主导沉积的倾向。在此，中国石油大学（北京）周明月团队通过构建一种双层复合电极结构来验证此概念，该结构由远离膜的SnO2功能化碳毡（SnO2@CF）底层和邻近膜的原始碳毡（PCF）顶层组成。与以往仅将SnO2用作枝晶抑制剂的研究不同，本工作利用SnO2构建锌亲和力差异的空间梯度进行沉积行为调控，如图1所示。具体而言，SnO2层提供了吸附位点和更高的交换电流密度，从而降低了成核过电位，实现了优先沉积和从内到外的填充模式。当用作负极电极时，PCF-SnO2@CF实现了330 mAh cm−2的创纪录锌沉积容量，比传统碳毡提高了65%。本工作为实用液流电池中稳定、高容量锌负极的开发提供了有前景的途径。   核心内容 本文通过简便的浸渍-热处理方法制备了SnO2功能化碳毡，记为SnO2@CF，从而在碳纤维骨架上形成了一致的SnO2涂层（图2a）。视觉上，与PCF相比，SnO2@CF呈现出从灰色到蓝紫色的均匀颜色转变（图2b），表明SnO2在碳基底上实现了均匀覆盖。如图2c，d所示，SnO2@CF的润湿性较PCF明显增强，促进了锌酸盐离子向电极内部的扩散和吸附。 为比较分析微观结构变化，通过扫描电子显微镜（SEM）对PCF和SnO2@CF进行了表征（图2e，2f）。SEM图像和能谱分析（EDS）显示成功在碳纤维包覆了均匀且薄的SnO2涂层。碳纤维表面均匀的SnO2包覆进一步通过透射电子显微镜（TEM）表征。如图2h所示，包覆层厚度约为200纳米，解释了改性毡的蓝紫色。高分辨率TEM（HRTEM）图像中观察到间距约0.36纳米的清晰晶格条纹，主要对应SnO2的（110）晶面（图2i）。图2j的选区电子衍射（SAED）图谱显示了与SnO2的（101）、（110）和（211）晶面对应的明显衍射环，进一步证实了SnO2的存在。关于孔隙结构，压汞测试结果显示SnO2@CF的孔隙率损失可忽略不计，表明碳纤维表面存在薄而贴合的SnO2包覆层不会压缩锌沉积空间。同时，包覆层厚度对电导率影响极小（SnO2@CF为5.66 S cm−1 vs. PCF的5.23 S cm−1），四探针测量结果进一步验证了此点。因此，SnO2包覆导致的欧姆损失及传质阻抗极小，避免了对电池极化产生不利影响。 图2(a)复合双层电极制备过程的示意图；(b)PCF和SnO2@CF的数码照片；(c)PCF和(d)SnO2@CF的接触角；(e)PCF和(f)SnO2@CF的形貌SEM图像；(g)SnO2@CF的EDS图像；(h)SnO2涂层的TEM和（HRTEM）图像；(j)SnO2@CF具有特征衍射环的SAED图 为研究改性碳毡对锌沉积的影响，作者团队系统评估了SnO2@CF的电化学动力学及在碱性锌铁液流电池（ZIFBs）中的电化学行为。图3a中的循环伏安法（CV）测量结果显示，SnO2@CF上锌酸根离子的起始还原电位正向偏移，表明其成核过电位较低，从热力学角度有利于锌优先沉积。这种优先沉积能力将锌成核导向SnO2@CF界面，促进复合毡内部的锌沉积。图3b中的充电曲线显示出较低的初始平台（PCF为1.83V vs. 1.82V），应证了CV结果。此外，几乎重叠的电压曲线证实了包覆带来的额外极化是可忽略的。塔菲尔分析（图3c）进一步揭示SnO2@CF上锌酸根还原的表观交换电流密度更高（135.4 mA cm−1 vs. PCF的86.6 mA

第一作者：辛亚鲁 通讯作者：陈永平，高崴 通讯单位：东南大学 成果简介 碱性锌–铁氰化物液流电池（AZFFBs）被认为是长时储能的重要候选体系。然而，在低温条件下，该体系易出现电解液冻结、阳极锌枝晶生长及锌相关副反应加剧，以及阴极Fe(CN)64⁻析出引发的容量衰减等问题，严重限制其在极端环境中的应用。本研究，东南大学陈永平教授团队提出了一种协同溶剂化策略。通过引入Li⁺和Cl⁻，协同抑制水分子四面体氢键网络的形成，从而降低正负极电解液的液–固相转变峰值温度。同时，Cl⁻构建Zn(OH)42⁻周围的贫水溶剂化结构，以优化锌沉积并抑制副反应；Li⁺通过增强离子–偶极相互作用，将更多水分子引入Fe(CN)64⁻的溶剂化结构，从而显著提高其低温溶解度。优化后的AZFFBs在−20 °C下实现稳定循环，平均库仑效率达到99.54%；在28 °C下可稳定循环超过500次，平均库仑效率为99.79%，循环寿命提升超过22倍。此外，该体系在温度波动条件下仍表现出良好的运行稳定性。上述结果显著提升了AZFFBs在极端环境储能中的应用潜力，尤其适用于极地微电网、寒冷地区离网电力系统以及海底电力应用场景。 相关成果以“Synergistic Solvation Strategy for Low-Temperature Alkaline Zinc−Ferricyanide Flow Battery”为题发表在Research期刊上。 感谢东南大学陈永平教授团队（第一作者：辛亚鲁博士）供稿！ 本文所用 螺栓型液流单电池测试夹具 （LSB-3） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 水系氧化还原液流电池通过提供高效率、长寿命、卓越安全性以及功率/容量解耦的优势，为长时储能提供了一种有前景的解决方案。在这些体系中，碱性锌–铁氰化物液流电池（AZFFBs）因其高电化学活性、良好的动力学以及低成本而成为大规模应用的理想候选体系。为提升系统的循环稳定性，大量工作集中在缓解锌枝晶生长以及抑制活性物质跨膜迁移方面。提高铁氰化物溶解度以扩展实际容量的策略也已被广泛探索。然而，仅靠这些策略仍不足以确保体系在广泛运行条件下的稳健运行。其中，低温下电解液冻结以及铁氰化物析出所诱发的问题，显著限制了体系的运行范围与循环稳定性。这些挑战阻碍了其在极端环境（如极地地区、寒冷气候离网系统以及深海应用）中的部署。迫切需要创新策略来开发能够在低温下运行的AZFFBs。 在低温下，AZFFBs会经历电解液中水分子之间氢键（HB）的增强：水结构从最初无序的小水簇逐步转变为长程有序的氢键网络，最终导致电解液冻结。为解决这一问题，研究者已经探索了多种策略，包括引入有机共溶剂、添加化学添加剂以及利用离子效应，以重构大的氢键网络、抑制有序四面体结构的形成，并显著降低电解液的液–固相转变峰值温度（Tt）。尽管做出了上述努力，仅通过实现较低的Tt仍不足以确保AZFFBs在低温下稳定且高效地运行。一方面，低温会加剧电解液中离子扩散的不均匀性，从而导致阳极上的锌沉积不均匀。另一方面，Fe(CN)64⁻与水分子之间的离子–偶极相互作用减弱，再加上水分子之间氢键增强，会降低Fe(CN)64⁻的溶解度，导致其析出并可能造成流道堵塞。不幸的是，能够同时实现降低Tt、缓解锌相关副反应以及抑制阴极Fe(CN)64⁻析出的研究仍然很少。如何协调这些因素以实现AZFFBs在低温条件下高性能稳定运行，仍是一项重要挑战。 为解决这一问题，本研究，东南大学陈永平教授团队提出了一种协同溶剂化策略，该策略同时增强阳极电解液与阴极电解液的抗冻性能，使其能够在低至−20 °C的温度下稳定运行，这也是迄今AZFFBs报道的最低运行温度。该策略采用极性离子Li⁺和Cl⁻来有效破坏水分子之间的四面体氢键网络，从而降低Tt，同时调控Zn(OH)42⁻和Fe(CN)64⁻的溶剂化结构（图1）。在阳极侧，Cl⁻与Zn(OH)42⁻之间存在相互作用，部分替代其溶剂化壳层中的水分子，并构建贫水溶剂化结构，以优化锌沉积并抑制副反应。在阴极侧，Li⁺较小的离子半径使其能够部分替代Fe(CN)64⁻周围的K⁺，通过增强离子–偶极相互作用将额外的水分子引入Fe(CN)64⁻的溶剂化结构，从而在低温下显著提高铁氰盐溶解度。因此，含LiCl的AZFFBs展现出显著的低温性能：在−20 °C、20 mA cm⁻2的工况下可稳定运行超150个循环，平均库仑效率（CE）和能量效率（EE）分别达到99.54%和74.87%。值得注意的是，其在28 °C下也表现出优异稳定性：在40 mA cm⁻2的电流密度下实现超500个循环，平均CE、EE分别达到99.79%和86.84%。   核心内容 1. 协同溶剂化策略的设计 图1: 碱性锌–铁氰化物液流电池（AZFFBs）协同溶剂化策略示意图。 图1阐述了碱性锌–铁氰化物液流电池中协同溶剂化策略的设计思路。为克服低温条件下电解液冻结、阳极副反应以及阴极Fe(CN)64⁻析出等问题，本研究从氢键网络重构、Zn(OH)42⁻溶剂化结构调控以及Fe(CN)64⁻溶解度增强等关键过程出发，构建了Li⁺/Cl⁻双离子协同调控体系。该策略通过极性离子介导的氢键网络重构，破坏水分子之间的四面体氢键结构，从而降低电解液的液–固相转变峰值温度（Tt），同时调控Zn(OH)42⁻和Fe(CN)64⁻的溶剂化结构。在阳极侧，Cl⁻与Zn(OH)42⁻相互作用，部分取代其溶剂化壳层中的水分子，构建贫水溶剂化结构，以优化锌沉积并抑制副反应；在阴极侧，Li⁺由于离子半径较小，可部分取代Fe(CN)64⁻周围的K⁺，通过增强离子–偶极相互作用将更多水分子引入其溶剂化结构，从而在低温下显著提升其溶解度。该协同溶剂化策略实现了电解液抗冻结能力与电极界面稳定性的协同提升。 图2：Li⁺和Cl⁻增强AZFFBs电解液抗冻性能的机理研究。 图2揭示了Li⁺和Cl⁻对碱性锌–铁氰化物液流电池电解液低温稳定性的影响规律及其作用机制。图2A和2B通过光学图像对比显示，在−20 °C条件下，未添加LiCl的双极电解液发生明显冻结，而含LiCl的电解液仍保持液态，表明LiCl的加入显著提高了电解液的低温稳定性。图2C和2D展示了随着LiCl浓度增加，双极电解液的Tt明显降低，当LiCl浓度达到15.5 wt% 时，阴极和阳极电解液的Tt分别降至−27.26 °C和−34.54 °C。图2E的¹H NMR光谱表明，引入 Li⁺和Cl⁻后，水分子中氢原子的化学位移向高场移动，说明水分子周围电子云密度发生变化，反映出离子–偶极相互作用对氢键结构的影响。图2F的¹³C NMR光谱显示，在加入LiCl后，Fe(CN)64⁻中C原子的化学位移向高场移动，表明Li⁺抑制了K⁺与Fe(CN)64⁻之间的相互作用。图2G的⁷Li NMR光谱进一步证明，Li⁺进入Fe(CN)64⁻的溶剂化结构中并改变其电子环境。图2H–J的¹H 扩散有序谱（DOSY）对比显示，在相同离子浓度下，LiCl溶液中水分子的扩散系数最低，同时差示扫描量热测试表明Li⁺和Cl⁻的协同作用可显著降低电解液的相变温度，说明二者在重构氢键网络方面具有协同效应。   2. 溶剂化结构的有效重构 图3：AZFFBs电解液中溶剂化结构有效重构的验证。 图3分析了电解液中溶剂化结构有效重构的实验与理论验证结果。图3A–D 通过对FTIR光谱中水分子O–H伸缩振动峰的分峰分析，将水的氢键结构拆分为vₛOH、vₐₛOH以及Hf–O–Hb三种构型，并比较了引入LiCl前后不同氢键构型的比例变化，结果表明加入LiCl后不完全配位氢键比例增加。图3E展示了不同物种之间的吸附能计算结果，表明Zn2⁺–Cl⁻相互作用强于Zn2⁺–H2O，相应地，Fe(CN)64⁻–Li⁺与Li⁺–H2O相互作用强于与K⁺之间的相互作用。图3F–G给出了含Li⁺阴极电解液的分子动力学模拟结构以及N(CN)–Li⁺和N(CN)–K⁺的径向分布函数，显示Li⁺可进入Fe(CN)64⁻的溶剂化结构。图3H–I为N(CN)–O(H2O)的径向分布函数对比，显示加入LiCl后Fe(CN)64⁻周围水分子数量增加。图3J–K 展示了含Cl⁻阳极电解液的分子动力学模拟结果以及Zn2⁺–OH⁻、Zn2⁺–H2O和Zn2⁺–Cl⁻的径向分布函数，结果表明Cl⁻可部分取代Zn(OH)42⁻溶剂壳中的水分子。   3. 电极的电化学稳定性 图4：LiCl对阴极和阳极稳定性的影响。 图4分析了LiCl对电极电化学稳定性的影响。图4A和4B展示了在不同温度及不同电解液条件下，石墨毡电极表面锌沉积的扫描电子显微镜图像，结果表明加入LiCl后，锌沉积更加均匀且致密，且在较低温度下该效果更加明显。图4C为不同LiCl浓度下的计时电流法（CA）测试曲线，显示随着LiCl浓度增加，稳态电流密度提高，锌沉积行为由二维表面受限成核向三维扩散控制生长转变。图4D为线性扫描伏安（LSV）曲线，表明LiCl的加入抑制了析氢反应。图4E为Tafel曲线，图4F为腐蚀电流随LiCl浓度变化情况，结果显示LiCl提高了阳极的抗腐蚀能力。图4G–H为28

第一作者：辛亚鲁 通讯作者：高崴 通讯单位：东南大学 成果简介 碱性锌–铁氰化物液流电池（AZFFBs）因低成本、高安全性和快速动力学而受到关注，但锌阳极在沉积过程中易发生粉化并形成电化学不可逆的“死锌”，导致活性锌损失、容量不可逆衰减，并严重限制电池的循环寿命。本研究，东南大学高崴教授团队从锌沉积的微观晶体生长过程出发，揭示锌粉化与“死锌”形成的关键起因在于不可逆晶芽的持续生长。基于这一认识，研究引入多配位电解液添加剂泛醇（PAN），协同调控Zn(OH)42⁻/Zn2⁺/Zn0在电极界面的传输与反应行为，从而有效抑制锌粉化。在Zn||K4[Fe(CN)6]全电池中，该策略使循环稳定性提升约15倍，同时库仑效率、能量效率和电压效率分别提高2.1%、3.1%和1.2%，验证了多配位电解液添加剂策略在提升碱性锌–铁氰化物液流电池循环稳定性和能量利用效率方面的有效性。 相关成果以“High Stability Alkaline Zinc-Ferricyanide Flow Battery with Multi-Coordination Electrolyte Additive for Suppressing Zinc Pulverization”为题发表在Small期刊上。 感谢东南大学高崴教授团队（第一作者：辛亚鲁）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   研究背景 随着太阳能、风能等可再生能源在全球电力结构中的占比不断提高，其固有的间歇性和波动性对电网的稳定运行带来了严峻挑战。为缓解这一问题，电网级储能技术，尤其是氧化还原液流电池，因其安全性高、成本低且容量与功率可独立设计，被认为是关键解决方案之一。在众多体系中，碱性锌–铁氰化物液流电池（AZFFBs）因成本优势明显、容量大且氧化还原动力学快而受到广泛关注。然而，其实际应用仍受到锌阳极界面不稳定性的严重制约，主要表现为锌枝晶生长、副反应以及“死锌”的形成。当金属锌与电极表面失去电接触后，将无法继续参与储能反应，从而导致不可逆容量损失、循环效率下降并引发电池过早失效。此外，流动电解液中游离的“死锌”颗粒还可能堵塞流道、破坏流体结构并加速性能衰退。尽管上述问题后果严重，但“死锌”形成的根本机理及其有效抑制策略仍缺乏系统认识。 在强碱性溶液中，Zn2+会与OH⁻配位形成Zn(OH)42⁻。在接近电极表面后，锌沉积过程可分为四个连续步骤：Zn(OH)42⁻向电极表面扩散、Zn2+从Zn(OH)42⁻中解离并被还原为锌原子（Zn0）、Zn0在电极表面的自扩散，以及Zn⁰聚集形成晶核。在Zn0聚集过程中，电极表面局部Zn0的富集会诱导晶芽形成。当晶芽尺寸超过临界值后，其将转变为不可逆晶芽，无法再解离为单个Zn0并参与后续有序结晶，从而阻碍正常晶体生长。随着不可逆晶芽数量和尺寸的不断增加，最终会引发宏观锌粉化。值得注意的是，这些晶芽还会产生尖端效应，导致Zn2+在电极表面分布更加不均，进一步加剧结晶无序化。尽管已有电解液优化、界面涂层和电极结构调控等策略可在一定程度上改善Zn2+分布并促进有序结晶，但其并未从根本上解决不可逆晶芽形成及其导致锌粉化的问题。因此，亟需一种既能均匀Zn2+传输、又能抑制不可逆晶芽生成并引导有序锌沉积的综合性解决方案。 基于上述认识，本研究，东南大学高崴教授团队提出了一种多配位电解液添加剂策略，通过同时调控Zn(OH)42⁻/Zn2⁺/Zn0的传输行为、抑制不可逆晶芽形成并引导空间有序的锌沉积，从而降低锌粉化并提升AZFFBs的稳定性。作为验证，本研究选用具有丰富极性官能团的生物相容性分子泛醇（Panthenol，PAN）作为电解液添加剂。实验与理论计算表明，PAN通过三重作用机制发挥调控作用：（1）与Zn(OH)42⁻配位以均匀离子向电极表面的迁移；（2）抑制尖端效应以优化锌沉积行为；（3）通过对Zn0的吸附促进可逆晶芽的形成与原子化。基于该策略，Zn||Zn对称电池的循环寿命提升约2倍；进一步地，Zn||K4[Fe(CN)6]全电池的循环稳定性提升约15倍，其库仑效率、能量效率和电压效率分别提高2.1%、3.1%和1.2%。   核心内容 1. 多配位电解液添加剂对Zn(OH)42⁻/Zn2⁺/Zn0的作用 图1: 多配位电解液添加剂的设计思路及其作用机制。 图1阐述了碱性锌–铁氰化物液流电池中锌粉化与“死锌”形成的机理，并提出了相应的多配位电解液添加剂设计思路。首先，图1a示意了锌在强碱性电解液中的沉积过程：电解液中的Zn2+主要以Zn(OH)42⁻的形式向电极表面迁移，经过解离和还原生成Zn0，随后在电极表面自扩散并聚集形成晶芽。当晶芽生长超过临界尺寸后，会转化为不可逆晶芽，从而导致锌沉积结构逐渐粉化，并最终形成与电极表面失去电接触的“死锌”。在此基础上，图1b提出了用于抑制锌粉化的多配位电解液添加剂设计思路。该示意图表明，多配位添加剂能够同时与Zn(OH)42⁻、Zn2+以及Zn0发生相互作用，从而在锌沉积过程中协同调控离子传输行为和晶体生长过程。图1c-e通过FTIR光谱表征与静电式分析，展示了PAN在强碱环境中的分解行为以及分子表面静电式分布。结果表明，PAN在碱性电解液中易发生分解，其分解产物仍保留多个极性官能团和负电势区域，为其与锌物种发生多配位作用提供了结构基础。进一步地，图1f的吸附能理论计算结果显示，PAN及其分解产物与金属锌及石墨基底之间具有较强的吸附作用。此外，图1g-j通过分子动力学模拟和径向分布函数分析，揭示了PAN及其分解产物对Zn(OH)42⁻溶剂化结构的调控作用。图1k对电解液中O–H伸缩振动区域的分峰分析进一步表明，引入PAN后电解液中的氢键网络结构发生变化。   2. 添加剂对阳极电解液物理与电化学性能的影响 图2：多配位电解液添加剂对电解液性质与锌沉积界面行为的调控作用 图2展示了多配位电解液添加剂PAN对阳极电解液性质以及锌沉积界面行为的影响。首先，图2a、b通过HSQC谱对比了PAN在NaOH溶液以及含Zn(OH)42⁻的阳极电解液中的化学位移特征，结果表明PAN与Zn(OH)42⁻之间存在相互作用，为其参与锌物种配位及传输调控提供了直接证据。随后，图2c-f利用XPS技术针对裸石墨毡以及经PAN处理后的石墨毡的表面官能团进行了对比分析。结果显示，PAN及其分解产物能够吸附于电极表面，从而改变锌沉积界面的化学环境。在电化学行为方面，图2g-i给出了不同PAN浓度下的Tafel曲线和LSV测试结果，表明PAN的引入能够降低腐蚀电流并有效抑制析氢反应。进一步地，图2j-n结合CV以及EIS分析，系统评估了PAN对Zn(OH)42⁻传输行为和界面反应动力学的影响，结果表明在合适浓度下，PAN能够同时改善离子传输和界面反应过程。最后，图2o对比了不同PAN浓度条件下Zn||K4[Fe(CN)6]全电池的库仑效率、能量效率和电压效率，综合确定了0.5 wt% PAN为本体系中电解液添加剂的最优浓度。   3. 添加剂对锌沉积行为的调控以及对Zn||Zn对称电池性能强化 图3：锌沉积过程的可视化及Zn||Zn对称电池的电化学循环性能 图3系统展示了多配位电解液添加剂对锌沉积行为的调控作用，以及其对Zn||Zn对称电池的循环性能影响。首先，图3a-d通过COMSOL模拟对比了在有无添加剂条件下Zn(OH)42⁻和Zn2+在电极表面的通量分布情况。结果表明，引入添加剂后，电极表面的离子通量分布更加均匀，有助于削弱局部离子富集和尖端效应。随后，图3e、f通过原位可视化实验对比了锌在不同电解液条件下的沉积过程。可以观察到，在未添加PAN的情况下，锌沉积过程中易出现局部快速生长和不均匀沉积；而引入PAN后，锌沉积过程更加均匀稳定。进一步地，图3g、h的SEM图像展示了不同条件下石墨毡电极表面的锌沉积形貌差异。结果显示，PAN的引入有助于形成更加致密、有序的锌沉积结构，从形貌层面验证了其对锌沉积行为的调控作用。在电化学性能方面，图3i、j展示了Zn||Zn对称电池在有无添加剂条件下的循环性能对比结果。结果表明，引入添加剂后，对称电池的电压曲线更加稳定，循环稳定性得到显著改善。   4. Zn||K4[Fe(CN)6]全电池循环性能评估 图4：Zn||K4[Fe(CN)6]全电池的电化学循环性能 图4评估了多配位电解液添加剂对Zn||K4[Fe(CN)6]全电池循环稳定性及倍率性能的影响。首先，图4a-d对比了在有无添加剂条件下，全电池在不同循环阶段的充放电电压曲线。结果表明，引入添加剂后，电池在长循环过程中电压平台更加稳定，极化程度得到有效缓解。随后，图4e、f给出了全电池在循环过程中的库仑效率、能量效率、电压效率以及放电容量变化情况。可以看出，含添加剂体系在长时循环过程中保持了更高且更稳定的效率和容量，体现出显著提升的循环稳定性。图 4g-j显示，在面积容量为20 mAh cm⁻2、电流密度 20-60 mA cm⁻2的倍率测试中，含PAN的全电池前42次循环的性能稳定。相比之下，不含PAN的全电池在第40次循环时由于“死锌”累积，导致电压极化明显增强并导致放电容量骤降。   结论展望

第一作者：甘振乐 通讯作者：宋纯利、储本发、张中标 通讯单位：安徽理工大学 & 北京碧水源膜科技有限公司 成果简介 高性能、低成本离子交换膜（IEMs）的进步对于实现可持续能源未来和确保安全供水至关重要。本研究报道了通过预磺化单体与芴基成分共聚合成磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜及其表征。该合成策略能够精确调控磺化度并提高膜的坚固性。所获得的膜展现出优异的性能组合，包括适度的吸水率、有限的溶胀性、高离子电导率，以及出色的机械和热稳定性。m-SPEEK-FDH膜被系统地应用于两种不同技术：锌-铁氧化还原液流电池（AZIFB）和电渗析（ED）。在AZIFB应用中，0.6-SPEEK-FDH膜表现出优异的性能。即使在400 mA cm⁻²的高电流密度下，其能量效率仍超过79.4%。同时，它表现出优异的长期循环稳定性，在200 mA cm⁻²的条件下，经过18天、超过950次循环的测试，能量效率始终保持在84.4%以上。研究表明，使用经处理的0.6-SPEEK-FDH的电渗析（ED）也表现出高脱盐效率（高达97%）和低能耗（<4.5 kWh·kg⁻¹）。引入具有可调节磺化度的刚性芴单元，为定制化阳离子交换膜（CEMs）提供了一种可行方法，在锌-铁液流电池和电渗析工艺中均显示出巨大潜力。 相关成果以“Rational molecular tuning of SPEEK membranes for high-performance zinc-iron flow batteries and electrodialysis”为题发表在Separation and Purification Technology期刊上。 感谢安徽理工大学张中标团队供稿！ 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   研究背景 全球对可持续能源和清洁水资源日益增长的需求，是21世纪最严峻的两大挑战之一。太阳能和风能等可变可再生能源的广泛应用，对电网稳定性构成了重大挑战，这促使人们需要高容量且可靠的储能技术，以确保电力供需的持续平衡。与此同时，解决全球淡水短缺问题需要节能的海水淡化和水净化技术。有趣的是，这两个看似不同的技术领域聚焦于一个共同的关键组件：先进的膜材料。离子交换膜（IEMs）是两项重要技术中的关键组件：用于储能的氧化还原液流电池（RFBs）和用于水处理的电渗析（ED）。在氧化还原液流电池中，离子交换膜促进选择性离子传输，同时防止电解质交叉混合，从而维持电池的效率和容量。同样，电渗析系统的性能在很大程度上取决于离子交换膜的特性，使其成为影响工艺效率和分离效果的核心。因此，推进高性能、低成本的膜技术，有望为可持续能源的未来和安全的水资源供应做出独特贡献，推动这些重要领域的协同发展。 在储能和海水淡化技术中，阴离子交换膜（AEMs）和阳离子交换膜（CEMs）是两种关键的离子交换膜。其中，阳离子交换膜（CEMs），尤其是全氟磺酸（PFSA）膜——最著名的例子是Nafion膜，因其优异的质子传导性和出色的化学稳定性，被广泛视为该领域的基准材料。然而，Nafion膜的广泛应用受到几个关键限制的阻碍，例如成本高昂、离子选择性中等以及对交叉效应的高度敏感性，这些最终导致液流电池系统出现严重的容量衰减。同样，在电渗析（ED）中，其低选择性降低了分离效率，而电渗析系统中常用的非均相膜则表现出高电阻和高能耗。因此，开发兼具低成本、高离子选择性、良好离子传导性和优异化学稳定性的新型阳离子交换膜，对于推动储能和电渗析技术的发展至关重要。 已有几类聚合物被研究用作阳离子交换膜的基质，包括聚醚醚酮（PEEK）、聚砜（PSF）、聚醚砜（PES）和聚酰亚胺（PI）。其中，聚醚醚酮（PEEK）因其优异的机械强度、热稳定性和耐化学性，已成为一种极具前景的基础聚合物。然而，传统的磺化聚醚醚酮合成方法通常依赖于后磺化法，这种方法往往导致磺化度控制不佳，并且由于使用强磺化剂，可能会导致聚合物主链降解。 基于此，本研究通过将预磺化单体与芴基成分共聚，建立聚合物骨架，制成了高性能磺化聚醚醚酮（SPEEK）膜。利用预磺化单体实现对磺化程度的精确控制，且引入具有卓越化学和热稳定性的芴基，进一步增强了膜的耐久性。最终形成的SPEEK膜实现了水分吸收、膨胀行为、离子电导性和离子选择性之间的最佳平衡。这项工作明确建立了分子结构、材料性质与功能性能之间的相关性。此外，本研究证明SPEEK膜在两种高要求的应用中能够实现高性能：ZIRFB和ED。研究结果凸显了其作为高性能阳离子交换膜的有前景能力，适用于多种用途。   核心内容 1.m-SPEEK-FDH的合成与结构 SDFDPK和m-SPEEK-FDH是按照参考文献中概述的方法制备的。研究团队通过溶液流延法制备了m-SPEEK-FDH膜。具体而   言，将聚合物溶解在NMP中以获得均匀溶液，然后将其流延到玻璃基板上，并在80°C下干燥12小时。所得薄膜的厚度约为50±5μm。 在DMSO中对0.5-SPEEK-FDH、0.6-SPEEK-FDH和0.7-SPEEK-FDH进行了¹H核磁共振光谱分析，确认了预期的化学结构。SEC分析表明，所有聚合物均具有高分子量，表明成功合成了具有预期结构的磺化聚醚醚酮。   2.m-SPEEK-FDH的热稳定性、机械性能和形态   图2. 干燥状态下测得的m-SPEEK-FDH的拉伸强度和断裂伸长率（a）；m-SPEEK-FDH的热重分析（TGA）曲线（b）；m-SPEEK-FDH的红外光谱（c）；m-SPEEK-FDH的X射线衍射图谱（d）。 干燥状态下测得的m-SPEEK-FDH的拉伸强度和断裂伸长率表明，所有膜均具有良好的机械性能。数值范围为3.51%-4.55%。随着磺化度的增加，膜的应力逐渐降低。这可能是由于引入了额外的磺酸基团，这些基团为聚合物结构带来了柔性链段。这些柔性基团增大了刚性芴基聚醚醚酮主链内的链间距，从而减弱了分子间相互作用。同时，也观察到应变有轻微增加。对于湿膜，m-SPEEK-FDH的拉伸强度下降，而断裂伸长率显著提高。总体而言，其机械性能足以满足液流电池和电渗析等应用的需求。 热重分析（TGA）曲线显示，所有m-SPEEK-FDH均呈现出两阶段分解现象。第一阶段（100-450°C）归因于磺酸基团的热分解，第二阶段（集中在450°C左右）归因于聚合物主链的降解。0.5-SPEEK-FDH、0.6-SPEEK-FDH和0.7-SPEEK-FDH膜的热分解温度（Td）分别记录为503.3°C、498.8°C和485.6°C，显示出极佳的热稳定性，非常适合实际应用。 傅里叶变换红外光谱在1235 cm⁻¹和1080 cm⁻¹处观察到的峰分别归属于O=S=O的不对称和对称伸缩振动，而在1025 cm⁻¹处的峰对应于S=O的伸缩振动。在所有X射线衍射图谱中观察到的宽衍射峰表明m-SPEEK-FDH膜具有无定形性质。根据布拉格定律，层间距（d间距）随着磺化度的增加而减小（0.5-SPEEK-FDH：4.29 Å，0.6-SPEEK-FDH：4.22 Å，0.7-SPEEK-FDH：4.09

第一作者：田心瑶 通讯作者：卢春喜&侯栓弟 通讯单位：中国石油大学（北京）&中石化（大连）石油化工研究院 成果简介 铁铬液流电池（ICFBs）因低成本和丰富的原材料而成为大规模储能的理想选择，但商业化受到Cr3+/Cr2+氧化还原动力学缓慢的阻碍。本文，中国石油大学卢春喜团队&中石化（大连）石油化工研究院通过热退火锡–对苯二甲酸酯（Sn-BDC）金属有机框架前驱体，开发了一种异质结改性的石墨毡电极（Sn/SnOx@GF）。所得电极在石墨纤维表面均匀分散了Sn/SnOx纳米催化剂颗粒，提供了丰富的活性位点，并产生了一个与Fe3+/Fe2+相当的快速动力学速率常数（k0=1.015×10−4cm s−1）。使用Sn/SnOx@GF电极的ICFB在160 mA cm−2下实现了80.5%的能量效率，远超原始石墨毡。意外的电化学性能得益于Sn/SnO异质界面的存在，其中金属Sn增强了Cr3+的吸附，而SnO加速了电子转移。异质界面处独特的电子协同作用增强了费米能级附近SnO的s和p轨道占据，明显提高了电子转移能力并加速了Cr3+/Cr2+氧化还原动力学。此外，改性后的电极在100次循环中表现出优异的循环稳定性。 相关成果以“Synergistic catalysis of Sn/SnOxheterojunctions on graphite felt for enhanced chromium kinetics in iron–chromium flow batteries”为题发表Materials Today Chemistry期刊上。 感谢第一作者田心瑶校稿！ 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   研究背景 石墨毡（GF）因其低成本、优异的耐腐蚀性和宽泛的电化学稳定性窗口，是ICFBs中常用的电极材料。然而，原始GF表面化学惰性且粗糙度不足，导致比表面积低、活性位点稀少及质量传输特性差，缺陷严重制约了电池性能。为克服这些局限，已开发出多种电催化改性策略。热处理通过生成不饱和碳结构，在GF表面引入含氮、磷或氧的功能基团，该过程可同时提升亲水性和电化学活性。蚀刻技术使用硼酸、硅酸或高锰酸钾等试剂在电极表面形成微孔结构，从而增加其比表面积和活性位点密度；金属催化剂负载是另一种普遍采用的方法，其中金属颗粒（如Pb、Au、Bi和In）通过电沉积锚定在电极上。其中，p型金属如Pb和Bi被最频繁地使用。其他方法，包括杂原子掺杂和构建催化活性多孔结构，也能提供所需的电化学性能。此外，使用p型金属基金属有机框架（MOFs）如Sn或In基MOFs来改性GF电极在ICFBs中尚未被探索。此空白为开发同时实现高活性位点密度和结构稳健性的先进电极架构提供了有前景的机会。MOFs是由金属节点和有机连接体组成的结晶多孔材料，能够精确控制纳米颗粒的成核和空间限制，从而形成超细催化纳米结构。MOFs可调孔隙率和化学功能使其成为电极材料的理想前驱体。热解后，MOFs可转化为金属氧化物/碳复合材料，在循环过程中表现出优异的稳定性。尽管MOF衍生材料已被广泛研究作为其他液流电池系统的电极，例如全钒、锌空和锌溴，但它们在ICFBs中的应用仍未被探索。 在此，中国石油大学卢春喜团队&中石化（大连）石油化工研究院介绍了一种异质结改性电极（Sn/SnOx@GF）。其对Cr3+/Cr2+的优异活性源于两个协同特性：(i)热退火使Sn/SnOx纳米颗粒在石墨纤维表面均匀分散并牢固锚定，提供了足够的活性位点；（ii）异质结构催化界面同时增强了反应物吸附并加速了电子转移。Sn/SnOx@GF电极在氧化还原反应中表现出增强的电化学活性和可逆性，并在高电流密度下的ICFB测试中展现出高效率和稳定性。   核心内容 1.结构和理化性质 如图1a所示，通过典型水热法制备的Sn-BDC（XRD，图1b）首先均匀分散于乙醇中，所得分散液随后沉积于石墨毡上，随后在800°C下进行高温退火，诱导Sn-BDC分解并伴随原子重排，最终形成Sn/SnOx@GF复合材料。通过XRD（图1c）证实了Sn/SnOx@GF电极中Sn和SnOx复合物的形成，显示出与Sn和SnOx对应的明显衍射峰。XPS分析（图1d）进一步证实了金属态Sn0（484.7和493.1 eV）与Sn2+（486.4和494.8 eV）的共存，验证了Sn和SnOx的形成。结合O 1s XPS分析结果，Sn/SnOx@GF中氧空位（Ov）数量的减少可能归因于石墨毡表面被锡基化合物覆盖后表面氧物种主导类型的改变，其中Sn-O键占据了石墨毡的缺陷位点。在In2O3包覆碳布的文献中也观察到了类似的氧空位数量减少现象。 图1.a)Sn/SnOx@GF制备工艺示意图；b)Sn-BDC XRD图；c)Sn/SnOx@GF XRD图；d)Sn/SnOx@GF（Sn3d）XPS谱 此结果表明，锡基材料能够有效改性石墨毡的表面，且所得复合材料的理化性质更可能由Sn/SnOx的固有特性主导，而非原始石墨毡的缺陷特性。Sn/SnOx@GF的表面形貌（图2a和b）显示了密集分布的纳米颗粒均匀改性。这些细小颗粒提供了丰富的暴露活性位点，有利于氧化还原反应。元素分布图（图2c–f）进一步表明，C、O和Sn在Sn/SnOx@GF中均匀分布。 图2.a、b)Sn/SnOx@GF的SEM图像；c)Sn/SnOx@GF的EDS元素分布图；d-f)C、O和Sn的相应元素分布图 如图3所示，TEM图像显示均匀分散的纳米颗粒（4–10 nm）（图3a），其晶格条纹清晰分辨为0.29 nm（Sn（200））和0.30 nm（SnO（101））（图3b），同时在Sn和SnO相之间形成了原子级锐利的界面。这些结构特征表明存在界面接触，促进了电荷转移。总之，Sn/SnOx活性中心的均匀分布确保了催化位点的充分利用，从而促进了电子转移并加速了氧化还原动力学。 图3.a)Sn/SnOx@GF的TEM图像及相应的粒径分布（插图）；b)Sn/SnOx@GF的HRTEM图像   2.电化学性能分析 图4a显示了三种不同电极在Fe/Cr混合电解质中于-0.9

第一作者：田宇 通讯作者：刘宏波 通讯单位：西南石油大学 成果简介 钒氧化还原液流电池（VRFB）凭借高安全性、长循环寿命及优异的环境特性，在大规模储能应用领域展现出巨大潜力。然而，VRFB在高电流密度下面临浓差极化和电化学动力学滞后等挑战，限制了其能量效率和功率密度。为突破这些瓶颈，西南石油大学刘宏波团队提出了一种创新的双极板（BPP）设计方案。通过在BPP上集成微磁体，磁流体动力学（MHD）效应明显提升了电解液的质量传递效率。本研究采用多物理场耦合数值模拟方法，系统探究了微磁体负载BPP结构对离子传输和电化学性能的影响。实验结果表明，这种设计优化了电解液流动分布，改善了离子传输路径，有效抑制了浓差极化现象，并明显提升了电极的电化学反应效率，从而大幅提高电池性能。 相关成果以“Micromagnet-loaded bipolar plate design for vanadium redox flow batteries: Improved mass transport and electrochemical performance”为题发表Journal of Electroanalytical Chemistry期刊上。 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   研究背景 在氧化还原液流电池领域，Tang等人提出了一种创新方案，通过使用永磁体对钒基电解液溶液进行预磁化处理。即使移除外部磁场后，钒离子的扩散容量仍提升了20%以上。与此同时，电荷转移电阻和浓差极化电阻均有所降低，而交换电流密度和离子电导率则明显提高。此外，Zhang等人将磁场直接引入VRFB系统，观察到电极内部平均过电位降低、膜附近离子分布更加均匀、输出电压提升，以及充放电循环期间能量转换效率增强。 既往研究表明，磁场通过MHD效应影响电解液行为，改变带电离子的运动轨迹并优化流体分布，从而增强传质效率并降低极化损失。基于此，本研究提出一种集成微磁体的BPP创新设计，旨在通过磁场调控来调节电解液传输行为及反应路径。为评估该设计方案的可行性与有效性，作者团队开发了一个综合多物理场数值模型，整合了电磁场、流体动力学及电化学反应。通过该模型，系统研究了电流密度、电解液流速与流场构型的协同效应，并阐明了磁场对电解液流动动力学、传质特性及电池整体性能的影响。该研究结果为高性能VRFB的设计提供了新的见解，并为推动其商业化发展向更高功率密度和更优运行效率方向提供重要参考。   核心内容 本文系统分析了微磁体负载的BPPs对VRFBs性能的影响。研究重点考察了微磁体作用下多孔电极中过电位分布、活性离子浓度（V2+/VO2+）以及电解液流动行为的变化规律。此外，还深入探究了微磁体负载BPPs在不同流场构型下对活性离子传质的促进作用及其对电化学性能的提升效果。基于多物理场耦合模拟结果，作者团队建立了整合电化学反应、物质传输与电池整体性能的综合评估框架，从而能够定量评估微磁体负载BPPs在提升VRFB性能方面的潜在优势。 1.模型验证 该模型在COMSOL Multiphysics 6.1中使用稳态求解器求解，相对容差为1×10−5。为验证所提模型的准确性，将模拟的极化曲线与实验测量结果进行对比。考虑到电池测试期间操作条件的良好可控性，模拟在以下条件下进行：电解液流速为35 ml/min，初始钒离子浓度为1600 mol/m3，电流密度范围为0−400 mA/cm2。 如图1（a-b）所示，采用初始BPPs和负载微磁体的BPPs组装单电池，并进行极化曲线实验。该单电池主要由高导电性石墨毡电极（面积20 mm×20 mm，厚度4 mm）、化学稳定的氟橡胶垫片、质子交换膜、镀金集流体及电池固定装置组成。通过在石墨板表面加工流道形成流场，并在背面预留微磁体安装孔（直径1.8mm，深度8mm），将集流体、电极、膜和流场板依次堆叠并保持紧密接触，保证各部件之间良好的电连接，同时使电荷转移路径最小化。 图1(c)显示模拟值与实验结果高度吻合，充分验证了所建模型的精确性与可靠性。结果表明，该模型能真实反映电池的实际运行状态，并展现出强大的预测能力。因此，模型可有效用于阐明VRFBs中磁场诱导性能提升的机制，为后续性能预测和结构优化提供了理论基础。 图1 (a)组装完成的单电池照片；(b)微磁体负载BPP及流场照片；(c)模型预测与实验结果对比   2.关键模型参数的敏感性分析 如图2（a-b）所示，随着残余磁通密度的增加，整体过电位明显降低，同时电池电压相应升高，表明磁场诱导的对流在缓解浓差极化方面起主导作用。相比之下，图2（c-d）的结果显示，钒离子扩散系数的变化仅引起过电位和电池电压的相对较小变化，表明扩散增强虽有助于性能提升，但在所研究的运行条件下并未主导电化学响应。同样地，交换电流密度的变化主要影响活化过电位（图2（e-f）），其中负极电极的灵敏度略高于正极电极。然而，由此产生的电池电压变化仅限于几毫伏，表明对电池整体性能的影响较为次要。 总体而言，敏感性分析表明模型预测不受单一参数控制，且在合理参数范围内相对性能趋势保持稳定。结果证实模型准确捕捉了物理量级的正确顺序，并为磁场增强质量输运的结论提供了强有力的证据，证明稳健可靠。 图2.关键模型参数对VRFB过电势和电池电压的敏感性分析：（a）和（b）剩余磁通密度的影响；（c）和（d）钒离子扩散系数的影响；（e）和（f）负极和正极交换电流密度的影响   3.电池电压与过电位 在数值模拟中，电池的荷电状态（SOC）固定为0.8。电解液流速从60至240

第一作者：夏宇恒&汪涛&杨果&刘怿泓 通讯作者：丁煜&任鑫坤&崔铭锦 通讯单位：南京大学&上海理工大学 成果简介 南京大学联合上海理工大学团队，展示了一种基于水溶性辅酶的自充电有机液流电池（SCFB），以解决固态反应动力学的局限性。黄素是一水溶性辅酶，在细胞代谢的核心过程中，凭借异咯嗪环介导的快速双电子转移特性，展现出令人惊叹的电子传递效率。例如酶促赖氨酸去甲基化反应：还原态FADH2能被氧气氧化并再生为FAD，不仅实现了电子的高效传递，更完成了辅酶的循环复用。这为新型氧化还原化学体系的设计提供了绝佳的天然参照。这启示作者将黄素类物质引入液流电池体系，打破固态电极固–气反应的动力学桎梏。基于这一思路，作者研究开发了一种受生物启发的超快全气候自充电液流电池，通过将黄素衍生物（FMN-Na）作为正极电解液活性物质，结合液流电池的开式结构与空气输注工艺，并将自然界中广泛存在的锌用作负极，设计了自充电液流电池。基于气–液反应的快速动力学，自充电液流电池实现了高充电速率，在10分钟内超快达到总容量的90%。而在碱性条件下，生成的过氧化氢会迅速分解而不会损害电池，这使得电池稳定运行300次循环而没有明显衰减。即使在-20 °C的寒冷环境下，该电池也能稳定运行超过200次循环。即使是50℃的高温下，电池也能正常运行。通过原位表征研究了自充电机制背后的氧化还原化学，揭示了以黄素分子中异咯嗪为反应活性中心的，且反应焓变有利于反应发生的内球电子转移过程，是实现自充电电池实现超快反应动力学的关键因素。在概念验证演示中，电池成功驱动了小风扇，展示了构建可持续能源系统的潜在途径。 相关成果以“Bioinspired Ultrafast All-Climate Self-Charging Flow Battery”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。 感谢南京大学丁煜团队供稿！ 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   研究背景 可充电电池是储能核心技术之一，但是传统的电池以来电网等基础设施进行充电，在偏远或恶劣环境下应用受限。为解决这一问题，研究人员开发了自充电电池，这是极具潜力的全天候能源供应系统。自充电电池的出现为解决这一痛点提供了新路径。这类新型能源系统借助空气中的氧气氧化放电后的阴极物种，无需外部电力输入即可实现电荷再生，其内在的自我补给机制显著提升了在偏远地区、应急场景等特殊环境中的部署能力，有望实现全天候持续供电，因此成为储能领域的研究热点。而当前主流产品多采用固态电极，依赖放电后的正极与空气中氧气的自发反应实现充电，固–气界面反应缓慢，充电需数小时，限制了其应用。而自然界中广泛存在的高效电子转移机制，为突破这一技术瓶颈提供了灵感源泉。黄素（如黄素腺嘌呤二核苷酸FAD、黄素单核苷酸 FMN）作为生物体内水溶性辅酶，在细胞代谢过程中展现出优异的电子转移效率，例如在酶促赖氨酸去甲基化反应中，还原态的FADH2可被分子氧快速氧化再生为 FAD，在实现高效电子传递的同时完成辅因子的循环利用，其基于异咯嗪环的快速双电子转移特性，为设计新型氧化还原化学体系提供了天然蓝本。受此启发，作者开发出了一种超快自充电液流电池。而气–液反应的快速反应动力学，突破了固态–气态的反应瓶颈。   核心内容 图1：自充电液流电池（SCFB）的设计原理 作为生物体内不可或缺的水溶性辅酶，黄素家族（包括黄素腺嘌呤二核苷酸FAD、黄素单核苷酸FMN等）在细胞代谢的核心过程中，凭借异咯嗪环介导的快速双电子转移特性，展现出令人惊叹的电子传递效率——酶促赖氨酸去甲基化反应便是典型例证：还原态FADH2能被分子氧迅速氧化并再生为FAD，不仅实现了电子的高效传递，更完成了辅因子的循环复用，这一自然演化的精妙机制，为新型氧化还原化学体系的设计提供了绝佳的天然参照。受这一生物酶介导的胞外电子转移机制启发，作者意识到，若能将黄素类物质引入液流电池体系，利用其在液相中与氧气的快速反应动力学，有望打破固态电极固-气反应的动力学桎梏。基于这一思路，本研究开发了一种受生物启发的超快全气候自充电液流电池，通过将黄素衍生物（FMN-Na）作为正极电解液活性物质，结合液流电池的开式结构与空气输注工艺，既规避了传统固态自充电电池复杂的拆卸步骤，又借助黄素的本征反应优势实现了充电速率的跨越式提升。此外，自然界中广泛存在的锌被用作负极，这符合绿色化学原则。而反应的电位显示，被还原的FMN-Na能被O2再次氧化，从而实现正极氧化还原活性物质的再生。 图2：电化学表征 在氩气氛围下，FMN-Na 表现出良好的电化学可逆性；通入氧气后，还原态 FMN³⁻与溶解氧快速反应，再生氧化态，电流响应增强。其在强碱性条件下 redox 可逆性优异，溶解度高（溶解度可达0.702M，理论体积比容量达 37.6 Ah L⁻¹）。而LSV测试表明，FMN-Na具有较高的扩散系数（5.72×10⁻6 cm2s⁻1）和反应速率常数（1.27 × 10−3 cm s−1），这使得FMN-Na成为优秀的液流电池氧化还原活性物质。 图3：SCFB的自充电机制 向放电结束后的正极电解液中通入氧气，开路电压逐渐上升，这证实了自充电的存在。通过UV-Vis证实，异咯嗪环是唯一的氧化还原活性中心，还原态FMN-Na与O2反应，经自由基历程生成FMN-Na和过氧化氢，且自由能普表示过氧化氢在碱性条件下快速分解，无积累，多种表征手段验证了这一事实。充放电过程中，FMN-Na 的结构转变具有高度可逆性，确保了电池的稳定运行。 图4：电池性能测试 在5-120 mA cm⁻2的电流密度范围内，电池库仑效率接近 100%，即使在 120 mA cm⁻2的高电流密度下仍能保留低电流密度下70%的容量。室温下经过 300 次循环后，容量保持率达 97%，主要容量衰减源于锌阳极的溶解和枝晶生长。添加5 M尿素作为防冻剂后，电池在 – 20℃下经过200次循环，容量保持率超过90%。在50℃下经过100次循环，容量保持率为 75%，高温下容量衰减源于FMN-Na的分解。高浓度（0.5 M）FMN-Na 作为阴极电解液时，电池可稳定循环150次，仅存在轻微的活性物质交叉问题。 图5：自充电性能测试 该电池实现了创纪录的超快自充电速率，10分钟内即可达到 90% 的理论容量，远超其他现有自充电电池（通常需数小时）。经过100次充放电循环，无明显容量衰减，放电电压曲线重叠度高，曲线之间的些许差别是由于自充电操作过程中的人工操作误差导致。此外，在应用方面，单个FMN-Na

第一作者：韩明君 通讯作者：张晨阳&李洁 通讯单位：中南大学 成果简介 多酸（POMs）在下一代高能量密度氧化还原液流电池（RFBs）中展现出卓越的多电子转移能力，但其可操作的充电状态（SoC）通常受限于质子饥饿条件下普遍存在的高还原亚稳态而低于33.3%水平。该研究通过为[P2W18O62]6⁻（{P2W18}）团簇建立质子耦合电子转移（PCET）模型，揭示了氧位点的质子化可通过协同质子–电子转移（CPET）稳定还原的钨位点。Marcus理论与DFT计算相结合，量化了区域选择性CPET过程的热力学驱动力与动力学能垒，而通过原位pH监测与原位拉曼光谱进一步证实了这一质子耦合的可逆氧化还原机制。基于这些发现，该研究设计了高质子活性H6{P2W18}负极电解液，与VOSO4基正极电解液配对组成HPVB液流电池，并采用直接和逐步充放电策略，从而实现了H6{P2W18}负极电解液稳定的全SoC充放电循环。HPVB电池取得了前所未有的性能：在0.3M H6{P2W18}负极电解液66.7% SoC下循环600次（超过1020小时）无明显容量衰减，期间保持95.04 Ah L⁻1的放电容量；在0.3M H6{P2W18}负极电解液100% SoC下放电容量达141.75 Ah L⁻1；在0.5M H6{P2W18}负极电解液100% SoC下，放电容量创纪录地达到236.03 Ah L⁻1，能量密度达239.02 Wh L⁻1。该研究通过将CPET机理见解转化为可操作的电解质设计，释放了{P2W18}的稳定可逆全SoC，为通往高能量密度POM基氧化还原液流电池建立了一条普适性路径。 相关成果以“Unlocking Full State-of-Charge of Polyoxometalate for High-Energy-Density Redox Flow Batteries via Concerted Proton-Electron Transfer”为题发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。 感谢中南大学李洁&张晨阳教授（第一作者：韩明君）供稿！ 本文所用 快拆型液流单电池测试系统（KCB-CZ） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景 全球向可再生能源的加速转型预计将在2050年前供应近90%的电力，这已成为应对气候变化同时满足日益增长的能源需求的基石。然而，太阳能/风能发电的间歇性和波动性特性要求储能技术实现突破性创新，以确保电网可靠性并最大化可再生能源的利用率。在各种储能技术中，氧化还原液流电池（RFBs）因其本征安全性、通过解耦功率/容量配置实现的可扩展性、长循环寿命以及毫秒级响应特性，已成为大规模应用中最有前景的解决方案之一。 虽然商业部署的钒（VRFBs）、铁铬（Fe-Cr RFBs）和锌溴（Zn-Br RFBs）氧化还原液流电池日趋成熟，但科学界正积极开创下一代氧化还原活性电解质的分子水平工程。传统的单/双电子（n = 1~2）氧化还原对主导了超过95%的现有体系，主要包括过渡金属、卤素、多硫化物和有机化合物。然而，单/双电子转移反应所导致的低能量密度（15~50 Wh/L）限制了其进一步发展的潜力。因此，探索稳定且可逆的多电子（n ≥ 3）转移氧化还原活性对已成为RFBs创新的关键研究前沿。 多酸（POMs），特别是Keggin型（[XM12O40]ⁿ⁻）和Dawson型（[X2M18O62]ⁿ⁻）团簇，已成为多电子氧化还原化学中的领跑者，利用其独特的团簇级电子离域特性，通过Mⱽᴵ/Mⱽ氧化还原过程呈现超过12e⁻的转移能力。然而，研究表明，多酸的实际电解质利用率（此处用荷电状态SoC表示）仍被限制在低于33.3%的水平。低SoC的瓶颈普遍存在于各类多酸负极电解液中。2013年，Anderson等人首次将原子取代的[SiV3W9O40]7⁻（{SiV3W9}）用于对称RFB电解质，实现了{SiV3W9}负极电解液33.3%的SoC（相对于9e⁻理论容量的3e⁻转移）。随后，Liu等人于2016年开创性地使用H₆{CoW₁₂O₄₀}（{CoW₁₂}）团簇设计了对称氧化还原液流电池，实现了{CoW12}负极电解液33.3%SoC（4e⁻转移相对于12e⁻理论容量）。Chen等人于2018年首次在{P2W18}||Br RFB中采用Li6[P2W18O62]（Li6{P2W18}）作为负极电解液，建立了使用高还原态{P2W18}团簇进行能量存储的概念验证。然而，RFB的循环仅限于20个循环，在Li6{P2W18}负极电解液约88.9%的SoC下进行（放电容量和库仑效率相对于18e⁻理论容量换算），且其潜在的氧化还原化学机制仍未得到充分阐明。最近，Ai等人于2022年报道了在低温（-20 ℃）下使用H6[P2W18O62]（H6{P2W18}）团簇作为负极电解液（33.3%SoC，6e⁻转移相对于18e⁻理论容量）实现高功率密度氧化还原液流电池的进展，突出了其在宽温度范围内的稳健性和实用性。此外，[PW12O40]3⁻({PW12}，SoC分别为33.3%和41.7%，4e⁻和5e⁻转移分别相对于12e⁻理论容量）、[PV14O42]9⁻（{PV14}，28.5%SoC，4e⁻转移相对于14e⁻理论容量）、以及[SiW12O40]4⁻和[BW12O40]5⁻（{SiW12}和{BW12}，16.7%SoC，2e⁻转移相对于12e⁻理论容量）也证实了这一点。因此，解锁多酸的全SoC以突破电解液低利用率这一普遍瓶颈，对于实现高能量密度RFBs将是一个关键的里程碑。 示意图1. 传统POM电解质体系与本工作之间的本质对比。