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华南理工大学梁振兴教授 2024年液流电池重点研究成果总结 （感谢梁振兴教授团队校稿） 作者简介 梁振兴，华南理工大学化学与化工学院教授/副院长、国家杰出青年科学基金获得者、广东省燃料电池技术重点实验室/广东省电化学能源工程技术研究中心主任。研究领域包括:液流电池、燃料电池和锂/钠离子电池。课题组近年来围绕水系有机液流电池取得以下重要进展：开发了系列高性能的吡啶鎓盐与哌啶氮氧自由基储电分子体系，提升了电池的能量密度；发展了微纳尺度电化学方法，揭示了电解液中有机分子的聚集行为及结构动态演变机制，提升了电池稳定性；提出了梯度孔隙电极设计理念，提升了变物性水系有机液流电池的能量效率。近5年，以通讯（含共同通讯）作者在Angew、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.等期刊上发表论文70余篇。担任Chinese Journal of Catalysis副主编，中国化工学会储能工程专业委员会副主任委员，中关村储能产业技术联盟液流电池储能技术专业委员会副主任委员等。本文总结了梁振兴教授2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. TEMPO-紫精双极性有机分子构筑高稳定水系有机氧化还原液流电池  双极氧化还原活性有机分子（BROM）是解决电解质交叉污染的有效策略，可提高液流电池的稳定性。本文将2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧（TEMPO）单元和紫精单元进行共价桥联，开发了一种高水溶性双极性有机分子：1-(1-oxyl-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-4-yl)-1′-(3-(trimethylammonio)propyl)-4,4′-bipyridinium trichloride ((TPABPy)Cl3)。该化合物水中溶解度可达1.76 M。电化学结果显示，(TPABPy)Cl3 在-0.56 V和0.76 V处显示出两对高度可逆的氧化还原峰，分别对应于紫精和TEMPO单元的一电子转移过程。密度泛函理论计算和电子顺磁共振波谱测试确定了氧化还原反应过程中(TPABPy)Cl3的分子/电子结构，发现两步电化学过程均涉及自由基反应。利用 1.0 M (TPABPy)Cl3电解液构筑的液流电池可提供 25 Ah L-1 的操作容量，且电池稳定性优于非双极性分子组装的电池。更重要的是，双极性分子的设计策略可通过电解液极性反转再平衡策略，有效实现容量的恢复。总之，本研究工作提供了一种双极性分子工程策略，从而提高水系有机液流电池的容量和稳定性。 2. 位阻效应构筑耐碱性紫精负极实现超稳定水系有机氧化还原液流电池（点击论文名称查看全文赏析） 紫精是一类很有前景的水系有机液流电池负极材料，但由于其在电池循环过程中会受到氢氧根离子（OH–）的SN2亲核攻击，分子稳定性面临着严峻的挑战。本研究工作发展了一种新型N-环季铵接枝的紫精分子，即：1,1′-bis(4,4′-dimethylpiperidiniumyl)-4,4′-bipyridinium tetrachloride ((DBPPy)Cl4)。所制备的(DBPPy)Cl4在水中具有1.84 M的溶解度和-0.52 V的热力学电位。实验和理论计算表明，接枝的N环季铵基团的位阻效应有效阻碍了分子遭受OH–的亲核攻击，从而提高了电活性分子在碱性环境下的稳定性。采用0.50 M (DBPPy)Cl4 电解液组装的对称电池在13天的循环测试中容量衰减可以忽略不计。以1.0 M (DBPPy)Cl4为负极，(TPABPy)Cl3为正极组装的液流电池具有22.43 Ah L−1的可逆容量，在60 mA cm-2电密200圈循环中显示出99.99%/圈的超高容量保持率。 3. 电解液热力学调控实现空气稳定紫精基水系有机氧化还原液流电池 水系有机氧化还原液流电池是一种前景广阔的电网储能技术。然而，由于无法在空气中稳定运行，其进一步应用面临严重挑战，根本原因在于有机电活性分子的空气耐受性差。本工作通过主客体超分子化学组装开发了一种电解液热力学调控策略，以提高紫精基液流电池的空气稳定性。研究发现，还原态紫精通过疏水作用可与羟乙基β环糊精（HE-β-CD）分子形成计量比1：2的主客体复合物，HE-β-CD的空间保护作用可在动力学上缓解还原态紫精分子遭受氧气的进攻。测试结果表明，以紫精/HE-β-CD为电解液组装的电池在空气条件下，可以实现高达99.9%的库仑效率和优越的循环能力（300次循环后容量保持率为97.73%）。本项研究工作为解决水系有机液流电池空气稳定性这一紧迫问题提供了简易的电解液调控策略。 4. 有机液流电池的聚集调控电化学（点击论文名称查看全文赏析） 有机分子是水系有机液流电池的储能单元，分子的溶液聚集行为被认为是影响其性质的关键因素，但却很少受到研究。本工作构筑了联吡啶鎓盐分子库，从分子水平研究了溶液中有机分子的聚集行为操控。结合理论计算和物化表征技术，主要发现如下：首先，在溶剂化效应、轨道重叠和色散作用的驱动下，单电子还原态联吡啶自由基在溶液中会发生聚集行为。其次，这一聚集可以通过分子工程策略来操控，通过引入分子间静电斥力，联吡啶环间的二面角可以显著抑制分子间的聚集行为。第三，自由基间的聚集会导致分子单电子占据轨道能级下降，且聚集行为与其热力学电位呈标度关系。因此，浓度的增加会导致电池电压降低，不利于高能量密度电池构筑。抗聚集分子设计可有效打破电位标度关系，为调控液流电池电解液提供了新的见解。 5. TEMPO微乳液构筑高容量水性有机氧化还原液流电池（点击论文名称查看全文赏析） 2,2,6,6-四甲基哌啶氧（TEMPO）的水溶性较低，严重限制了水系有机液流电池的容量。本文发展了一种微乳液增溶策略来解决这一问题。利用疏水性参数描述符通过筛选共溶剂和表面活性剂，在优选的乙腈/四丁基氯化铵组成的溶液中实现了高达3.45 M 的TEMPO溶解度。理化分析表明，表面活性剂四丁基氯化铵的烷基链倾向于分布在有机相中，降低了有机相与水相间的表面张力，促进了两相的融合与平衡，从而实现了具有优异稳定性、良好离子导电性和低粘度的TEMPO微乳液电解液。采用2.5 […]

大连理工大学贺高红教授 2024年液流电池重点研究成果总结 （感谢贺高红教授团队校稿） 作者简介 贺高红，大连理工大学教授、博士生导师。长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，享受国务院政府津贴，国家有突出贡献专家，中国化工学会会士、常务理事，两次获得国家科技进步二等奖（2018年、2010年）及中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖（2017年、2009年），获得侯德榜化工科学技术奖，中国发明专利金奖，第十五届中国专利优秀奖，2017日内瓦国际发明展览会特别嘉许金奖等，辽宁省教学名师，辽宁省优秀专家。多年来主要从事膜分离过程、环保和过程工业节能改造等方面的研究，负责完成(在研)国家自然科学基金、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金石油化工重点项目、国家攻关项目、国家863计划项目、辽宁省博士启动基金和自然科学基金以及横向课题80余项。团队获批科技部重点领域创新团队、辽宁省高等学校创新团队、辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室和辽宁省工业挥发性有机污染物综合治理及利用工程技术研究中心。本文总结了贺高红教授2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. 离子导电膜中的自支撑 COF 纳米纤维提高钒氧化还原液流电池的效率（点击论文名称查看全文赏析） 钒氧化还原液流电池（VRFB）中多孔二维共价有机框架（COFs）的离子筛分效果受到离子导电膜中 COF 的脆性和易团聚的极大限制。在此，提出了自支撑 COF 纳米纤维作为连续离子导电途径的策略，以最大限度地提高 COF 的选择性离子传导。采用原位生长模板刻蚀法制备了独立的 TFP-TAPA 静电纺丝 COF 纳米纤维毡，用磺化聚苯并咪唑（SPBI）致密化并连续分散在膜中。原纤化使刚性 COF 材料具有出色的柔韧性，可以自由弯曲，通过氢键诱导磺酸基团定向聚集以实现质子跳跃，以及通过筛孔（6 Å）诱导长程有序钒离子排斥屏障和 COF 中亚胺基团的唐南效应。TFP-TAPA COF 纳米纤维连续膜显示出优于 Nafion212膜 3 倍的高H+/Vn+选择性，在 200 mA cm−2可实现约 80.5% 的出色 VRFB 能量效率，它超越了大多数最先进的基于 COF 的 VRFB 离子导电膜。   2.可转换为酚羟基侧链的醌构建钒氧化还原液流电池高选择性离子导电通道（点击论文名称查看全文赏析） 质子传导和钒渗透性之间的权衡是离子导电膜实现高钒氧化还原液流电池（VRFB）性能的巨大挑战。在此，本文提出了可转换为酚羟基侧链的醌以赋予唐南效应和持续变窄的离子导电通道以提高 H+/Vn + 选择性。独特的是，苯酚可以在强酸性 VRFB 环境中原位化学转化为电负性较低的醌，从而大大增加了 Zata 电位（从 2.6 到 10.2

中国科学科技大学杨正金教授 2024年液流电池重点研究成果总结 作者简介 杨正金，中国科学技术大学教授，研究领域为离子膜设计制备及应用与水系有机液流电池电活性分子的开发。杨正金课题组近年来取得了以下重要进展：开发了系列自具微孔离子膜，发现了离子传输的限域效应，突破离子膜传导性和选择性相互制约关系；创制了微孔框架离子膜，首次实现了近似无摩擦的离子传导和有机体系液流电池的快充；实现了固有微孔型离子膜的产业化及在水系有机液流电池中的示范应用。近5年，以第一/通讯（含共同通讯）作者在Nature、Angew、Energy Environ. Sci.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊上发表论文50余篇。获中国科大杰出研究校长奖、侯德榜化工科学技术青年奖等。目前担任 J. Energy Chem.、J. Membr. Sci. 等期刊青年编委，是中国化工学会青年工作委员会委员、液流电池储能技术专业委员会副秘书长。本文总结了杨正金教授2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. 用于pH中性的水性有机氧化还原液流电池的超微孔Tröger’s Base框架膜（点击论文名称查看全文赏析） 自具微孔聚合物膜（PIM）正在成为下一代离子交换膜（IEM）的有前途的候选材料。然而，在高离子交换容量（IEC）下，基于PIM的IEM会严重溶胀，从而导致选择性降低。为了解决这个问题，本文报道了用刚性Tröger’s Base网络链构建的超微孔聚合物框架膜。这些膜通过有机溶胶–凝胶工艺制备获得，具有出色的抗溶胀性能，在2.09 mmol g-1的高IEC下溶胀度低于4.5%，优于目前报道的PIM。刚性引起的超微孔和孔通道的带电修饰赋予这种膜非常高的尺寸排阻选择性和竞争性离子传导率。因此，这些膜使pH中性的水系有机氧化还原液流电池（AORFB）能够高效稳定地运行。这项工作介绍了Tröger’s Base聚合物骨架材料作为IEM的优势，并关注膜类型的扩展及其在其他领域的应用。 2. 用于长寿命碱性锌基液流电池的双功能电解质添加剂设计（点击论文名称查看全文赏析） 碱性锌基液流电池（AZFBs）具有锌资源丰富、安全性高、成本低等优点，是一种前景广阔的电化学储能技术。然而，锌枝晶的生长和死锌的形成极大地阻碍了 AZFB 的发展。为此，本文提出了一种双重功能的电解质添加剂策略，以调节锌成核并减轻锌沉积物的氢氧化物腐蚀，从而获得稳定的 AZFB。该策略将尿素添加到电解液中，使其与锌离子形成配位络合物，从而减缓锌沉积动力学，诱导均匀成核，同时尿素在锌沉积物表面的吸附作用可以保护锌免受氢氧根离子的侵蚀，限制死锌的形成。此外，计算结果显示，当尿素分子吸附在锌团簇上时，OH– 基团的后续吸附会产生 1.29 eV 的额外能量势垒，从而大大减少了死锌的形成。因此，碱性锌–铁液流电池原型的长时间电池循环显示，其稳定运行时间超过 130 小时，平均库仑效率达到 98.5%。预计这种电解质添加剂策略将为开发高度稳定的 AZFB 铺平道路。 3. pH中性水系有机氧化还原液流电池电解质和膜的进展与展望（点击论文名称查看全文赏析） 利用水溶性有机电解质的可逆电化学反应来储存电能的水系有机氧化还原液流电池（AORFBs）已成为一种高效的电化学储能技术，可用于可再生能源电力的大规模并网。pH 值中性的 AORFBs 具有高安全性、低腐蚀性和环境友好性等特点，特别具有发展前景，其电池性能受到氧化还原活性分子和离子交换膜（IEMs）的显著影响。本文概述并总结了用于 pH 值中性 AORFB 的代表性负极电解质和正极电解质，以及它们会导致电池容量不可逆衰减的副反应。此外，还讨论了用于 pH 中性 AORFB 的 IEMs 的最新成果，重点关注离子传输通道的构建和调控。最后，介绍了开发具有实际意义的 pH 中性

桂林电子科技大学黄泽波副教授 2024年液流电池重点研究成果总结 作者简介 黄泽波，桂林电子科技大学校聘副教授，研究方向为液流电池储能及新能源测控技术。目前在《Chemical Engineering Journal》、《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》、《Journal of Energy Storage》、《Electrochimica acta》、《Journal of energy chemistry》、《Journal of The Electrochemical Society》等国际知名期刊发表学术论40余篇，其中： SCI检索28篇(一作或通讯22篇)、EI检索4篇、核心期刊5篇，ESI高被引论文1篇，热点论文1篇，申请发明专利4项。主持广西自然科学基金面上、成都科技局重点研发支撑计划、重点实验室开放课题，参与国家自然基金等项目7项。目前担任《装备制造技术》青年编委，《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Energy Storage》、《International Journal of Energy Research》、《AIChE Journal》、《Ionics》、MDPI、《储能科学与技术》、《电源学报》等10余个期刊审稿人。本文总结了黄泽波副教授2024年度在液流电池领域的相关文章。 文献总结 1. 液流电池：基于仿生机制并增设阻块的流场设计（点击论文名称查看全文赏析） 钒液流电池是实现大规模和长期储能的重要技术，其中流场设计是影响电池整体性能的关键因素之一。本研究借鉴了仿生叶脉的结构，提出了三种在主流道中加入不同形状阻块的流场设计。该设计旨在增强电解液向分支的分流能力，从而实现更均匀的电解液分布。其中，采用圆形阻块的结构表现出优异的性能，具有最低的充电电压和最高的放电电压。此外，该结构还实现了最高的活性物质浓度均匀度(0.903)。在流速为3 ml/s和电流密度为40 mA/cm²的条件下，基于泵功率的效率最大提高了1.7%，基于输出功率的效率则最大提高了2.5%。这一研究为仿生流场设计提供了新的思路，并展示了其在实际工程应用中的巨大潜力。 2. 析氢反应对钒液流电池性能影响的评价（点击论文名称查看全文赏析） 钒液流电池(VRFB)由于其卓越的优势，受到了广泛关注，已成为大规模和长期储能解决方案的首选。然而，氢气析出反应(HER)等副反应导致了 VRFB 性能的不足，从而使整个系统的性能下降。因此，研究 HER 对 VRFB 性能的影响机制，并找出有效的减轻措施势在必行。为此，我们选择了充放电曲线、内阻、压降、泵功耗、效率和容量保持率等关键参数，以评估 HER 对 VRFB 性能的影响。实验结果表明，HER 会导致充电阶段电压的增加以及放电阶段电压的降低，从而引起电压损失。此外，气泡的生成显著增加了压降和泵功耗；气泡还可能导致流道和电极的堵塞，从而使欧姆阻抗增加。最终，HER 对效率和容量产生了显著影响，平均能量效率仅为 2.92%。在经历 60 个循环后，容量保持率则下降了近