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通过动能输运引导电极标度的高功率水性有机氧化还原流霍克蓄电池

开发紧凑型高功率氧化还原流电池(RFB)需要克服反应区定位,以最大限度地减少系统占地面积和资本成本。该工作将多物理建模与实验验证相结合,确立了电极结构的化学依赖尺度原理。在水性有机射频电(AORFBs)中,快速动力学与低离子电导率的耦合将88.0%的电化学反应限制在1.1毫米膜邻近区域。这种空间定位使得传统厚电极的大部分变得多余,主要作为寄生欧姆和泵浦损耗的来源。相反,全钒系统的缓慢动力学要求反应分布范围更宽,可达2.5毫米,以最小化活化过电位。通过将物理电极尺度与有效反应深度匹配,AORFB通过0.60毫米电极增强。这种有针对性的结构减小消除了冗余的输运路径,实验性地实现了电流密度的两倍提升(从60到120 mA cm)−2)在80%的能效限制下。此外,最优单元可实现约3000毫瓦的峰值体积功率密度−3(提升了681%)。基于这些发现,参数映射产生了化学相关的标度定律,证实了最佳电极厚度从根本上受动力学-输运状态转变所决定。这些发现为增强电化学反应堆提供了严谨的设计标准,用针对局部动力学和输运约束的架构取代了经验规模。

图形摘要

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简介

全球向碳中和电网转型的趋势推动了对安全、经济且可扩展的长期储能需求,以管理可再生资源的间歇性(Hashmi 等,2026,国际能源署,2024;Li 等,2025;Xiao 等,2026;Yin 等,2026;Zhang 等,2026)。氧化还原流电池(RFB)因其解耦功率/能量缩放、固有安全性和长周期寿命,非常适合满足这些需求(Zhang 等,2024,Zhu 等,2024)。虽然传统的金属基RFB已接近商业成熟期,但其广泛部署受限于过渡金属活性材料的高成本和有限的供应(Cai 等,2024;Liu 等,2025;Yan 等,2026)。为此,水性有机氧化还原流电池(AORFBs)成为一种有吸引力的替代方案,利用地球丰富的元素和分子工程的庞大设计空间,以最大限度地降低活性材料成本(Fan等,2024;Fang等,2025;Ge等,2025;Wang,2025;Xiang等,2024;Zhao等,2024)。电解质化学的最新突破提高了有机氧化还原对的溶解度和化学稳定性(Huang等,2024;Liu 等,2026;Lv等,2023;Tang等,2022;Wang等,2023;Wang等,2023;Xiang等,2023;Xiang等,2025;Xu等,2025;Xu等,2025, Zhang等,2025年)。然而,分子层面优势与器件层面性能之间仍存在关键脱节(Jiang 等,2025,Jiang 等,2025)。尽管许多有机分子的内在反应动力学速度优于钒(Yuan等,2026),AORFB在工业相关电流密度下表现出较差的高速率性能和较低的能效。这一性能差距表明当前的细胞结构与有机分子独特的物理化学性质不匹配。解决这一限制需要严谨的化学工程方法,将分子级物理化学性质与宏观细胞设计相结合,充分释放AORFB技术的功率密度潜力。
流动电池的性能根本依赖于动量、质量和电荷传输的耦合过程,以及多孔电极内的非均匀电化学动力学(Jiang 等,2025b)。因此,内部电池结构,特别是电极结构和流场拓扑,在很大程度上决定了系统效率和功率密度(Forner-Cuenca 和 Brushett,2019,Lu 等,2024)。近期研究表明,通过改善流动分布和电极压缩优化这些结构,已证明能有效提升功率输出(Chu 等,2022;马 等,2026;Peng 等,2024)。立刻来说,Xu 等人。(马等,2026)达到了151.6毫瓦厘米的峰值功率密度−2通过在蛇形流场中施加20%的电极压缩比,提高了电解质速度并促进了物种分布的均匀。尽管取得了这些进展,AORFB结构设计的统一机制框架仍然不存在。一个显著的例子是厚电极的持续使用,这是一种继承自全钒流电池(AVRFBs)的设计。在有机系统中,快速氧化还原动力学与有限电解质离子导电的结合,往往使电化学反应在膜附近的狭窄区域内空间定位。在这种情况下,厚电极的主体无法作为有效的反应域发挥作用,而是主要作为冗余的电荷输运和流体通路,导致寄生欧姆和泵浦损耗。这一转变表明,性能瓶颈并非仅由局部过势决定,而是由反应动力学、物质质量传输和电荷传导的综合作用决定,这些因素共同决定了反应在电极厚度上的空间分布。因此,推动高功率水流流电池架构的进步,需要重新评估这些继承的约定,以恰当匹配有机氧化还原物种的系统特异性运输和动力学特性。
本研究开发了一个二维(2D)多物理模型,用于解析多孔电极内电解质流动、物种浓度和反应速率的空间分布。以局部耗散密度作为统一的诊断指标,定量证明了反应区定位的影响。与激活限制型AVRFB的比较显示,这种空间限制导致电极严重利用不足,使得欧姆耗散成为有机系统中主要的性能损失。基于此,电极稀释被认为是一种直接的结构改造,以减轻这些损失,使电极几何形状与反应分布保持一致。实验验证证实,合理厚度减少显著提升AORFB的高功率性能,而同样策略对激活限制型AVRFB无效。这些发现确立了流动电池的化学依赖结构设计规则,并为实现有机储能系统中高功率密度提供了一种机械方法。