赵天寿，中国科学院院士、能源科学与工程热物理专家。1983年毕业于天津大学热物理工程系，1986年获该校硕士学位，1995年获得美国夏威夷大学博士学位。现任南方科技大学讲席教授、美国机械工程师学会(ASME) Fellow、英国皇家化学学会(RSC) Fellow、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、香港科大工程学杰出研究成就奖。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。任国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主编与Energy & Environmental Science顾问编委。赵院士长期致力热质传递理论和电池储能技术的研究。针对国家对可再生能源利用的重大需求，围绕燃料电池、液流电池、金属空气等流体电池储能装置中能量传递与转换关键科学问题，建立了电池储能系统中热质传递和电化学能量转换的耦合理论，提出了热、质、电子及离子协同传输方法，突破了高功率流体电池设计的关键技术。提出了以可充放电的液态能量载体储电的新方法，发明了充、放电装置彼此独立的新型储能系统，取得了系统效率与输出功率的同时跃升，将在解决风光电并网难题、实现可再生能源规模利用、解决空气污染与气候变化问题等方面将发挥重要作用。本文总结了赵天寿院士2024年度在液流电池领域的相关文章。扁平流道蛇形流场可以有效提高氧化还原液流电池的性能。然而，在传统设计中，靠近流道端侧的相邻通道之间的边缘压差导致这些区域的对流较弱，增加了局部浓差极化。此外，在放大的氧化还原液流电池堆中，这一问题将加剧。在这项工作中，赵天寿院士团队提出了两种具有高度变化流道的改进蛇形流场，以调节流道下区域的电极压缩比，增强流道端侧附近电极中的对流。因此，活性物种分布更均匀，从而提高了电池性能。具体而言，在电流密度为200mA cm-2、流量为3.4 ml min-1 cm-2、有效面积为117 cm2的条件下，与传统扁平流道相比，具有斜坡流道的钒氧化还原液流电池的V2+均匀性、能量效率和系统效率分别提高了21%、2.7%和2.7%。2. 理解和增强钒氧化还原液流电池的肋下对流流场结构由相邻通道之间的压力差驱动的肋下对流流场结构对钒氧化还原液流电池的性能起着至关重要的作用。然而，关键几何特征与肋下对流之间的相关性尚不清楚，这限制了对流动相关输运机制的探索和高性能流场的发展。本文建立了一个集流体流动、质量传递和电化学反应为一体的三维模型，并以旋转蛇形流场为例，通过调整临界几何特征来增强肋下对流。结果表明，通道分数和通道深度的变化可以通过影响局部区域（即肋下对流强度）内活性物质输运速度来缓解浓差极化，而不会使活性物质输运分布恶化。更值得注意的是，具有最佳几何特性的电池能够在电流密度为150 mA cm-2和流量为40 ml min-1的情况下提供更好的基于泵的总效率（91.4%）。本研究全面分析了流场几何特性与肋下对流之间的关系，为高性能钒氧化还原液流电池的设计提供了指导。提高氧化还原液流电池（RFB）中氧化还原活性物质的浓度可以提高系统的能量密度，从而减少电解液储罐的体积和系统占地面积。然而，电解液的传输特性（粘度、扩散系数和离子电导率）取决于浓度，会显著影响物质和电荷传输，从而影响电化学反应和电池性能。为了平衡能量密度和传输特性，南方科技大学赵天寿院士团队研究了电解液浓度和传输特性之间的关系。研究发现随着浓度增加，电解液的粘度增加，扩散系数降低，电导率先增加后降低，这种浓度依赖性与氧化还原活性物种的流体动力学半径及其相互作用有关。此外，该团队开发了一种预测水系RFB性能的瞬态集总模型，用于评估不同电解液浓度下的传输特性及其对电池性能的影响。该模型可以预测实现电池最佳性能的氧化还原活性物质的最佳浓度。并且使用全钒RFB对结果进行了实验验证，该方法也适用于不同类型的RFB。在液流电池电堆并联的液体供应系统中，电解液流量的分布与每个分支的流动阻力密切相关。然而，化学和物理过程产生的气泡往往会积聚在电极孔中，阻碍电解液流动，导致电解液分布不均。为了研究恒压差条件下气体逸出对液体流动的影响，南科大赵天寿院士和上海交大叶强副教授团队提出了一种用于单电池测试的重力驱动电解液进料系统，该系统模拟了实际电池电堆运行中的流动情况。在气泡和液体流动的相互作用下，“mA cm-2”级的析氢反应显著减少了通过多孔电极的电解液流量。当压差降至临界阈值以下时，电解液流速继续显著降低，甚至可能完全停止。足够的进液压差对于提高气泡去除效率至关重要。5. 采用金属配位配合物作为氧化还原活性物质的氧化还原液流电池最新进展采用可持续、丰富且结构可调的氧化还原活性物质的氧化还原液流电池（RFB）在大规模储能中具有广阔的应用前景。作为一类重要的氧化还原活性物质，具有有机配体和过渡金属离子中心特性的金属配位配合物（MCC）因其多电子电荷转移、高结构可调性和减少材料交叉等优点而受到越来越多的关注。本文概述了在水系和非水系介质中使用 MCC 作为氧化还原活性材料的 RFB。全面总结了MCCs的设计策略、溶解度特性、电化学性质和电池循环性能等研究进展。重点介绍了用于调节MCCs关键性质的配体选择和修饰策略，包括其氧化还原电位、溶解度、循环稳定性和电子转移氧化还原反应，以实现具有高能量密度的稳定循环RFBs。此外，本文还讨论了与开发基于 MCC 的 RFB 用于大规模储能实施相关的当前挑战和前景。水系有机氧化还原液流电池（AORFBs）是安全、可持续的固定储能技术。然而，交叉污染、有限的电池电压和较差的循环稳定性仍然是其面临的挑战。为此，本研究团队设计了具有多电荷的N-杂环取代TEMPO（TMP-TEMPO）和吡咯烷/铵接枝联吡啶（[PyrTMAV]Cl4）氧化还原电对用于高性能AORFBs。整个材料制备过程相对简单，只需要两到三个合成步骤。TMP-TEMPO和[PyrTMAV]Cl4分别显示出2.4M和1.71M的高水溶性、优异的电化学可逆性和快速的氧化还原动力学。值得注意的是，将多种电荷引入活性材料中可以对离子交换膜产生强烈的吉布斯-唐纳效应，从而防止分子渗透通过膜，避免活性分子的交叉污染。通过使用无交叉的TMP-TEMPO和双电子[PyrTMAV]Cl4氧化还原电对，在0.2M的电子浓度下组装的双电子AORFB在O2含量为10 ppm和100 ppm的环境中表现出稳定的电池性能，在数百次循环（268和310次循环）中的容量保持率超过99%，获得了约89%的高能量效率和接近100%的库仑效率。此外，AORFB在1.5M的超高电子浓度下实现了约37.4 Ah L-1的高容量，同时在138次循环中保持约99.7%的容量保持率和93%的理论容量利用率。TMP-TEMPO和[PyrTMAV]Cl4的通用分子设计可以很容易地扩展到各种氨基官能化TEMPO和不对称分子的合成。锌枝晶的生长对开发稳定的水系锌电池构成了重大挑战。了解枝晶的生长机制以及各种因素对枝晶生长过程的影响至关重要。在本研究中，构建了一个相场模型来模拟锌枝晶的生长，并研究了电解质中离子和电势的时空分布。研究了过电位、各向异性强度和电解质流速等各种关键因素对电沉积形态演变的影响。结果表明，表面形貌演变与离子传输和电化学反应之间的竞争密切相关，并且可以受到各种参数的调节。特别是，流动的电解质不仅增强了对流离子传输，还抑制了表面的枝晶分叉，从而形成浓度梯度的均匀分布和致密的沉积物。然而，从入口到出口的流动电解质引起的不均匀性可能会阻碍液流电池中锌阳极的稳定循环。因此，锌基液流电池需要进一步设计和优化流场。由于每个电极中逸出的气泡分布不均，电解液向并联的氧化还原液流电堆的均匀输送可能会受到影响。截留的气泡会导致流体阻塞，使得液体速度降低，进而削弱气泡清扫并加剧气泡滞留。因此，气泡捕获和流动阻塞之间的恶性循环发生在多孔电极中。为了定量说明这种恶性循环的发展和危害，本文基于前人的实验数据建立了分析模型，并提出了气体饱和度、液体速度、压降和析氢速率之间的相关性。当液体速度从 10 mm s−1 下降时至 1 mm s−1，在给定的析氢速率下，气体饱和度增加四倍以上，表明电极中往往有更多的气泡，液相的流路变得更窄。随着压降的降低，液体速度变低，对气体逸出速率和电极润湿性更敏感。当压降进一步降至临界值以下时，液体流动很可能被阻塞，从而导致电解液进液严重分布不均。9. 将氧化还原液流电池的流场从实验室规模放大到电堆规模流场的关键作用是能够将电解液均匀分配到电极上，同时保持氧化还原液流电池的最小泵送损失。以前，主要致力于开发实验室规模的流场（<100 cm2），但由于缺乏合理的放大方法，限制了设计流场在商业化 kW 级电堆中的应用。本文提出了通道长度扩展、几何相似性、多平行通道、分割子区、通道多平行长度延长和分割区域多平行通道等 6 种放大方法，并以旋转蛇形流场为例进行了评价，揭示了从实验室尺度到电堆尺度的流动相关浓度分布和电化学特性。结果表明，利用单位区域内的流道结构缩短供应路径和提高供应速率是决定电堆尺度流场中活性物质均匀分布的关键因素。更值得注意的是，在 100 mA cm−2，使用多并联通道放大方法的流场显示出最低的充电电压（1.49 V）、最高的放电电压（1.32 V）、最高的均匀性因子（0.812）和最低的压降（100.1 kPa），能量效率高达 88.4 %，与实验室规模的同类产品（88.9%）几乎相同。这项工作对流场放大方法进行了深入分析，有望指导 kW 级 VRFB 电堆的设计。尽管多年来人们对钒基电解液进行了大量的研究和开发，但钒的溶解度及其对不同条件下温度的适应性尚未满足要求，并且仍需要开发各种原位监测方法以及容量恢复方法以实现高能量密度、长循环寿命和具有成本效益的钒液流电池（VRFB）。南方科技大学赵天寿院士和天津大学蒋浩然教授团队对钒液流电池电解液的特性、支持电解质种类、电解液添加剂种类、合成方法及其对电池性能的影响进行了综述。此外，对钒液流电池电解液监测和容量恢复的方法也进行了总结和讨论。本文旨在指导钒液流电池电解液的开发、优化和应用，以进一步改善液流电池的性能。石墨毡常用于氧化还原液流电池，但其比表面积低且催化活性差，导致传质和反应动力学不令人满意。本文将氮掺杂的垂直石墨烯通过无金属化学气相沉积方法原位生长在石墨毡上，由于大量暴露的高密度尖锐石墨烯边缘和氮掺杂，表现出高比表面积和显著的催化活性。多物理场模拟表明，垂直竖立的纳米结构促进了钒离子进入电极/电解质界面，从而有效降低了活性物质的质量传递阻力。密度泛函理论计算证据表明，氮掺杂通过提高钒离子的吸附和氧化还原来帮助提高催化活性。因此，氮掺杂垂直石墨烯/石墨毡电极在 200 mA cm−2 的能量效率为 87.1%，明显高于原始（65.9%）和空气氧化（73.1%）电极，在 300 mA cm−2 的能量效率超过 80.2% 。在 1500 次循环中，峰值功率密度为 1308.56 mW cm−2，优于以前报道的用于液流电池的碳纳米材料修饰电极。值得注意的是，合成过程仅涉及没有金属催化剂的气相反应，以避免析氢反应。这项工作为开发用于液流电池的高性能电极提供了一条良好的途径。电化学活性和传质性能较差一直是阻碍钒氧化还原液流电池高性能电极发展的长期问题。本工作中，研究团队将垂直排列的铋纳米片原位生长在电极表面，解锁电解液-电极界面动力学的同时增强了电极的催化活性和传质性能。垂直排列的纳米片结构具备引导反应物从体相溶液快速传输到电极表面的能力，降低了活性物质的传质阻力，并优化活性位点的利用率。同时，铋纳米片以含有大量不饱和铋原子的（012）平面为主，提高了电化学活性位点的数量和电极整体的催化性能。全电池EIS实验表明所制备电极的电荷转移电阻和有限扩散电阻分别为49.4和47.7 mΩ cm−2，比传统热处理电极分别低71.3%和6.7%。在全电池测试中，装备有铋纳米片的钒液流电池的峰值功率密度达到了1340 mW cm−2，在200 mA cm−2时的能量效率达到85.8%，比传统电极高4.4%。此外，该电池可以在300 mA cm−2时可以保持82.4%的能量效率，并且可以稳定循环2000多次，每次循环的效率衰减仅为0.0016%。鉴于厚度约为20-50μm的聚合物膜容易受到微观缺陷的影响，降低了电池的能量效率和循环稳定性，南方科技大学赵天寿院士团队提出了一种保压装置和热压方法可以有效地识别和修复有缺陷的膜。例如，在100mA cm-2的电流密度下，具有约100-μm针孔的膜表现出77.5%的低库仑效率。然而，通过修复缺陷，库仑效率可以提高到96.3%，从而达到未损坏的原始膜的水平（96.4%）。此外，在200 mA cm-2的电流密度下，修复膜组装的钒氧化还原液流电池在100次循环中的容量保持率为71.1%，接近原始膜的72.2%。从各种特征来看，修复后的膜表现出与原始膜非常相似的物理化学性质。在液流电池中，实现以最小的泵功率将电解液以最大的均匀性分配到电极上需要精确模拟电解液流动，确定流动变弱或停滞的死区。然而，传统的数值模拟需要大量的计算。在这项工作中，赵天寿院士团队使用深度神经网络(U-Net)来预测液流电池中的电解液流动。通过学习输入（流场几何形状）和输出（速度大小分布）之间的映射，U-Net得到了很好的训练。U-Net预测结果和有限元模拟结果之间的速度大小的像素级比较得到的平均欧几里德距离为442.6，平均R2为0.979，表明可以根据流场的几何特征精确模拟电解液分布。此外，通过用低速大小标记区域可以精确地识别死区。结果表明，调整这些区域的通道深度显著增强了肋下对流，从而在200 mA cm−2时将系统效率提高了5.5%。此外，与数值模拟相比，U-Net辅助预测显著减少了99.9%的计算时间。在本项工作中，研究者设计并简便地合成了一系列对Ag/AgCl氧化还原电位低至-1.0V的联吡啶二羧酸钴配合物，并证明了它们可用作高电压中性AORFB的溶质。得益于[CoII(Dcbpy)3]4-（Dcbpy =二羧酸联吡啶）阴离子的大尺寸，这些复合物在阳离子交换膜上表现出1.0×10-12 cm2 s-1 的超低膜渗透性。通过将Na4[CoII(Dcbpy)3]阳离子与4-OH-TEMPO阴离子配对，RFB显示出1.6V的高开路电压和良好的循环稳定性，2000个循环后的容量保持率高达 80%，相当于每个循环0.01%的容量衰减率（每天2.5%）。循环后循环伏安法（CV）研究证实了Na4[CoII(Dcbpy)3]复合物具有很高的充电-放电稳定性。热再生液流电池有望用于收集普遍存在的低品位热能。为了提高此类电池的性能，人们主要关注热力学，但忽略了电池的传质和电化学动力学。在这项工作中，开发了一个热电化学模型来分析传热不可逆性、过电势损失、传质和温度相关电阻对能量转换的影响，并在此基础上提出了五维性能评估框架。结果表明，能斯特损耗、浓度损耗和欧姆损耗是热电转换的主要限制步骤，并且不同性能指标之间存在权衡。为了实现热电化学性能的协同提升，提出了基于遗传算法的多目标优化方案，功率密度为13.22μW cm-2 ，热效率为8.17%，输出电压效率为48.17%，生态性能系数达到1.23，处于公开文献中最高性能之列。本研究为热再生液流电池的设计和优化开辟了新的途径。[1] Ren, J.; Guo, Z.; Wang, Y.; Sun, J.; Wang, Z.; Liu, B.; Fan, X.; Zhao, T. 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