综述：氧化还原液流电池中创新活性材料的综述：类型与关键组分要求

本综述系统分析了氧化还原液流电池（RFBs）中创新活性材料的研究进展，重点探讨了有机/无机材料的合成策略、关键特性（如氧化还原电位、溶解度）及其对能量密度、循环寿命的影响，为大规模电化学储能（EES）技术发展提供重要参考。

　　

Mechanism of RFBs

氧化还原液流电池（RFBs）是一类通过液态电解质中活性物质的氧化还原反应实现能量存储的电化学装置。与依赖固体电极反应的锂离子电池不同，RFBs将能量存储在外部储罐的电解液中，通过泵送系统使电解液在电池堆中循环流动，从而在惰性电极表面发生电化学反应。这种独特的架构实现了功率与容量的解耦，使其特别适合大规模、长时储能应用。

Types of Redox-Active Materials

活性材料是RFBs的核心，其性质直接决定电池的循环性能、成本、能量密度和寿命。本篇综述重点讨论了三大类材料：复合材料、金属基材料以及氧化还原添加剂基材料。

无机材料，尤其是钒基体系，是目前最成熟的技术。全钒液流电池（VRFB）使用V⁴⁺/V⁵⁺和V²⁺/V³⁺电对在硫酸介质中的反应，工作电压约为1.25 V，具有循环寿命长、安全性高等优点。然而，其成本受限于昂贵的离子交换膜（如Nafion?）和钒资源本身。为应对此挑战，铁基液流电池（IBRFBs）因其资源丰富、成本低廉而被视为极具前景的替代方案。

有机活性材料，如醌类（quinones）和对苯二胺（p-PD），因其成本低、易于分子修饰且能实现高活性物种浓度而受到广泛关注。但其主要挑战在于溶解度不足。研究表明，通过引入极性或带电基团进行结构调控，可将其在电解液中的溶解度提升约30%。此外，基于过渡金属离子的体系也在持续开发中。

在膜材料方面，高性能的离子交换膜（IEM）对于防止活性物质交叉污染、保持高质子传导率至关重要。传统的Nafion膜存在选择性低、成本高的问题。磺化聚醚醚酮（SPEEK）是一种有前景的低成本替代品，但过高的磺化度会牺牲其机械稳定性。最新的研究探索了将氧化石墨烯、石墨相氮化碳乃至三氧化钨（WO₃）纳米颗粒等材料掺入Nafion基质中形成杂化膜（如[Nafion/(WO₃)_x]），旨在同时降低水的吸收（减少钒离子渗透）并保持高质子电导率。

Commercialization Challenges

尽管RFBs技术已取得商业上的初步成功，但其大规模部署仍面临诸多挑战，这些挑战远不止常被提及的成本和膜渗透性问题。

scalability gap（ scalability gap）是一个主要障碍，即从实验室规模的实验扩大到兆瓦时级别的示范项目过程中，会出现许多在小规模测试中未曾暴露的问题，例如电解液的长周期化学稳定性、系统集成的复杂性以及长期运行的可靠性。

高资本成本仍是主要障碍。成本驱动因素包括电堆、支持电解质和辅助系统（如泵送系统）。为提升经济性，美国能源部（DOE）曾设定了2010年250/kWh和2015年100/kWh的成本目标。

此外，对于使用不同溶剂的RFBs（例如阳极液使用碳酸丙烯酯，阴极液使用水溶性TEMPO），需要能够完全隔离两室的隔膜。目前使用的单一离子传导的陶瓷膜，其有限的离子电导率限制了可应用的电流密度。

Future Perspectives and Conclusion

展望未来，RFBs技术预计将在未来五年内取得更多改进，变得更加经济可行，并能够提供资本和生命周期成本的降低，以实现其真正的工业潜力。

研究方向将持续聚焦于开发低成本、高溶解度、高稳定性的新型活性材料（包括有机、无机及复合材料），以及设计具有高选择性、高离子电导率和优异机械稳定性的下一代隔膜。对于铁基等廉价体系的研究有望为替代钒提供一条可行的路径。

总之，通过对活性材料、电解质组成和电池设计的深入理解和战略性的设计，研究人员可以开发出针对多样化应用场景的RFB系统，从而推动其在应对可再生能源并网（Variable Renewable Energy Sources, VRES）挑战的大规模储能（Bulk Energy Storage, BES）中的应用。