科学网—南方科大赵天寿院士团队综述：液流电池容量衰减机制、恢复策略与挑战
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2026-10-11 13:23
| 系统分类: 论文交流
Capacity Degradation Mechanisms, Recovery Strategies, and Challenges of Flow Batteries
Xu Lin, Meisheng Han*, Haolin Ju, Hengyuan Hu, Wanqi Hu, Jiajie Luo, Lei Wei, Lin Zeng, Wenjia Li*, Tianshou Zhao*
Nano-Micro Letters (2027)19: 44
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02345-y
本文亮点
1. 多维解析，厘清衰减根源： 系统揭示液流电池容量衰减的物理、化学与界面机制，涵盖跨膜迁移导致的体积失衡、活性物种失活、电极退化及析氢/析氧副反应等关键过程。
2. 从“修复”走向“调度”： 系统总结高选择性膜、价态精准调控、电极活性位点再生以及模型驱动协同调度等容量恢复策略，构建从物理修复到智能运维的完整技术图景。
3. 聚焦瓶颈，面向智能恢复： 凝练瞬态多物理场耦合、高电流密度动力学受限和预测模型随机性等挑战，并展望多模态原位表征、AI加速材料发现与数字孪生自主调控的发展方向。
研究背景
随着可再生能源在电力系统中的比例不断提高，仅能够完成数小时充放电的传统储能模式越来越难以独立承担跨日乃至更长时间尺度的能源调节需求。长时储能因此成为新型电力系统中支撑新能源消纳、增强电网韧性和保障能源供需平衡的重要技术基础。在众多长时储能技术中，液流电池(Redox Flow Batteries, RFBs)具有一个十分鲜明的特点：功率与容量可以相互解耦。电堆规模决定功率，而储液罐中电解液的体积决定容量，因此系统能够根据实际需求灵活扩展。同时， 水系电解液 赋予其较高安全性，使其在大规模长时储能场景中具有独特优势。然而，真正让液流电池长期稳定运行，并不是“容量做得足够大”这么简单。在持续充放电过程中，各种物理、化学和界面过程彼此耦合，最终共同表现为容量下降。论文指出，电解液约占液流电池系统总成本的50%。如果容量一旦下降就只能更换电解液或牺牲整个系统寿命，其经济性将受到严重制约。因此，对于面向数年乃至更长时间服役的大规模储能系统而言，比“如何减缓衰减”更进一步的问题是：已经失去的容量，能不能重新找回来？这正是本文关注的核心。
内容简介
针对液流电池容量衰减机制复杂、失效来源多样以及恢复手段缺乏系统梳理的问题， 南方科技大学赵天寿院士、韩美胜和李文甲团队 从容量恢复这一视角出发，对液流电池的容量衰减与再生进行了系统总结。文章首先从物理平衡、化学稳定性和界面反应动力学三个层级梳理容量衰减的来源，将跨膜迁移、电解液体积失衡、活性物质失活与分解、电极退化以及析氢/析氧引起的价态失衡纳入统一分析框架。在此基础上，作者进一步讨论“容量下降以后怎么办”，归纳出四条具有代表性的容量恢复路径：电解液体积再平衡、活性物种价态精准恢复、电极活性位点再生与传质优化，以及模型驱动的协同恢复与智能调度。在特定体系和实验条件下，部分方法可使容量恢复至接近初始水平，说明液流电池的部分容量衰减有望通过合理的维护和再生策略得到恢复。
图文导读
I 容量衰减诱因及恢复策略的总体框架
液流电池的容量衰减并不是由某一个单独因素造成的，而是多种物理、化学和界面过程共同作用的结果。相应地，针对不同衰减来源，容量恢复策略也呈现出多样化和系统化的特点。图1将这一逻辑进行了高度概括：上半部分对应体积失衡、活性材料不稳定以及电极退化/气体析出等衰减来源；下半部分则对应膜调控、价态恢复、电极修复与模型驱动协同恢复，形成“问题—策略”一一对应的总体框架。
图1. 液流电池容量衰减机制及容量恢复策略总览。
II 第一把“钥匙”：从源头控制跨膜迁移，让电解液重新平衡
对于液流电池来说，一部分容量并没有真正“消失”，而是因为正、负极之间的物质和体积分布发生偏移，使活性物质无法被充分利用。因此，第一类容量恢复思路就是解决电解液再平衡问题。作者指出，可以通过开发高选择性离子交换膜、优化膜孔结构与离子传输性质，从源头减少活性物种的非对称跨膜迁移；同时建立电解液迁移和体积变化模型，对长期循环中的失衡过程进行预测，并据此安排再平衡维护。图2展示了高选择性交联网络膜的结构、不同膜厚下的充放电性能，以及正负极电解液体积随循环变化的实验与预测结果，说明膜材料设计不仅能够降低跨膜损失，也能够与物理模型结合，为未来商业系统的容量维护提供预测依据。
图2. 基于高选择性膜和迁移模型的电解液体积再平衡。
III 第二把“钥匙”：把错误的价态“调回来”，重新激活电解液
如果说电解液体积失衡属于“物质放错了位置”，那么副反应导致的价态失衡，则更像是“活性物质处在了错误的化学状态”。析氢、空气氧化等过程会不断消耗电子，使正负极活性物种逐渐偏离理想价态。对此，本文系统总结了化学还原、在线/原位电解、反向电沉积和界面诱导等恢复方式，其核心都是把失衡的活性物种重新调回能够参与正常氧化还原反应的状态。在 全钒液流电池 中，可以利用化学还原或者独立电解单元调节钒离子的平均价态；在锌基、锡溴以及有机液流电池中，则可以通过“死锌”再生、反向沉积或特定化学反应重新释放被锁定的活性容量。图3展示了全钒体系中的电化学再生与容量恢复过程；图4进一步扩展到锌基、锡溴等不同体系，体现出“价态恢复”并非只适用于某一种液流电池，而具有更广泛的方法学意义。
图3. 全钒液流电池中的活性物种价态恢复策略。
图4. 其他液流电池体系中的活性物种价态恢复策略。
IV 第三把“钥匙”：电解液没坏，可能只是电极“累了”
容量下降并不总意味着电解液发生了严重损失。长期运行过程中，电极表面可能逐渐氧化、污染或钝化，活性位点减少，电荷传递阻抗和极化升高。结果就是电池更早到达截止电压，看上去“容量变少”，实际上部分容量只是因为反应动力学变差而无法释放出来。因此，作者将电极活性位点修复和传质优化总结为第三类容量恢复策略。图5将表面官能团变化、电极再生后的容量保持以及不同流动条件和电极结构下的极化、阻抗进行了对比，展示了一条不依赖改变电解液化学组成的容量恢复路径。
图5. 电极活性位点再生与传质优化实现容量恢复。
V 从“修电池”到“管电池”：模型让容量恢复发生在最合适的时间
对于实验室中的单个电池，出现容量下降以后再进行恢复或许并不困难；但到了兆瓦级乃至更大规模储能系统，真正困难的问题变成了：什么时候恢复？恢复多少？采用哪种策略？停机维护是否划算？因此，文章将容量恢复进一步推向系统层面。通过状态健康度(SoH)和平均氧化态(AOS)等状态指标、混合整数线性规划以及全生命周期储能成本(LCOS)分析，可以同步考虑电解液再平衡、价态修复、电极退化和维护成本，在容量损失与运维投入之间寻找最佳方案。这意味着容量恢复正在从“容量下降—发现问题—人工维修”逐渐转变为“实时监测—预测衰减—判断最佳维护节点—主动恢复”。图6展示了SoH失衡图、不同电解液混合方案下的容量恢复效率，以及考虑维护成本后的长期恢复调度。其核心价值不只是提高某一次恢复率，而是寻找全生命周期内性能和经济性的平衡。
图6. 模型驱动的液流电池容量恢复与智能维护。
VI 总结
液流电池拥有高安全性、功率与容量独立设计以及长循环寿命等优势，是极具潜力的大规模长时储能技术。然而，真正决定一个储能系统能否稳定运行十年乃至更久的，并不只是初始容量有多高，而是容量衰减以后，系统有没有能力恢复。本文围绕这一核心问题，系统构建了液流电池容量衰减与恢复的知识框架：在衰减机制方面，容量损失来自跨膜迁移导致的物理失衡、活性物种化学失活、电极界面退化以及析氢/析氧等副反应导致的价态失衡；在恢复策略方面，则可以通过高选择性膜与电解液再平衡、活性物种价态精准调控、电极活性位点修复与传质优化，以及模型驱动的智能维护等路径，将部分已经损失的容量重新“找回来”。
已有研究表明，在特定体系和实验条件下，部分方法可使容量恢复至接近初始水平，显示出容量恢复技术对于降低液流电池全生命周期成本、延长服役寿命的重要潜力。随着原位表征、人工智能、大数据预测以及数字孪生逐步融入液流电池系统，未来的容量恢复有望从衰减后的被动修复转向贯穿整个服役周期的主动健康管理。对于面向长时储能的大型液流电池而言，理想状态并非“永不衰减”，而是能够识别衰减原因与程度，判断合适的恢复时机，并以较低成本恢复容量。这也是本文从“容量衰减机制”走向“智能容量恢复”的核心价值。
作者简介
赵天寿
本文通讯作者
南方科技大学 讲席教授
▍ 主要研究 领域
工程热物理、燃料电池、流体电池储能、热质传递与 电化学能量转换 。
▍ 主要研究成果
工程热物理与能源科学专家，中国科学院院士、中国化学会会士。曾任香港科技大学张英灿工程及环境学冠名讲席教授、机械及航空航天工程学讲座教授、能源研究院院长及高等研究院资深学人；现任南方科技大学讲席教授、碳中和能源研究院院长。为美国机械工程师学会(ASME)会士、英国皇家化学学会(RSC)会士，曾获Croucher资深研究成就奖、 何梁何利基金 科学与技术进步奖、国家自然科学二等奖、香港科技大学工程学杰出研究成就奖。曾入选Clarivate/Thomson Reuters全球高被引科学家和最有影响力科学思想名录，任Int. J. Heat Mass Transf.主编与Energy Environ. Sci.顾问编委。
▍ Email： zhaots@sustech.edu.cn
韩美胜
本文通讯作者
南方科技大学 研究副教授
▍ 主要研究 领域
主要从事锂/钠离子电池和水系电池研究
▍ 主要研究成果
哈尔滨工业大学博士，中国科学院物理研究所博士后，现为南方科技大学机械与能源工程系研究副教授、深圳市级特聘人才，担任Nano-Micro Lett.、eScience、Renewables等期刊青年编委，并为Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Nano-Micro Lett.等期刊审稿人。发表英文论文100余篇，申请国家发明专利50余项，其中35项已获授权。主持或参与国家自然科学基金重大项目及青年基金项目、国家重点研发计划、广东省和深圳市相关项目等。
▍ Email： hanms@sustech.edu.cn
李文甲
本文通讯作者
南方科技大学 教授
▍ 主要研究 领域
长期从事太阳能—流动载体储能工程技术研究，重点开展光伏光热互补的太阳能全光谱利用、分解水制氢和液流电池等领域研究。
▍ 主要研究成果
工学博士、博士生导师、独立PI，现任南方科技大学碳中和能源研究院助理院长。主持国家自然科学基金青年基金、国家自然科学基金重大项目子课题、内蒙古自治区“科技突围”项目、深圳市新型液流储能电池工程研究中心项目等。在Sci. Bull.、Small等期刊发表论文70余篇，获授权国家发明专利8项、美国发明专利1项。2023年入选中国科协青年人才托举工程；2025年，“光伏光热互补的太阳能全光谱制燃料技术与系统集成”获中国发明协会二等奖(排名第1)。
▍ Email： liwj@sustech.edu.cn
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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