化学学报 ›› 2025, Vol. 83 ›› Issue (8): 895-916.DOI: 10.6023/A25030069 上一篇    下一篇

综述

水系有机液流电池正极储能材料研究进展

李国宝a,b, 刘睿卿a, 季云龙a, 王盼b,*()   

  1. a 国科大杭州高等研究院 化学与材料科学学院 杭州 310024
    b 西湖大学 理学院 杭州 310030
  • 投稿日期:2025-03-07 发布日期:2025-03-27
  • 通讯作者: 王盼
  • 作者简介:

    李国宝, 博士, 国科大杭州高等研究院化学与材料科学院博士后, 2022年毕业于德累斯顿工业大学化学系, 获得理学博士学位, 师从Prof. Bernd Plieker. 主要研究方向为有机合成化学与水系有机液流电池储能材料的开发.

    刘睿卿, 国科大杭州高等研究院化学与材料科学院2023级硕士研究生, 研究方向为水系有机液流电池储能材料和电化学碳捕集.

    季云龙, 博士, 国科大杭州高等研究院化学与材料科学院, 研究员. 2010年本科毕业于中南大学, 2015年博士毕业于中国科学院上海有机化学研究所, 2015~2019年先后在美国亚利桑那州立大学和哈佛大学进行博士后研究, 2020~2021年在浙江理工大学工作. 2021年至今在国科大杭州高等研究院工作, 主要研究水系有机液流电池与电化学碳捕集.

    王盼, 博士, 西湖大学理学院特聘研究员. 2015年获中国科学院上海有机化学研究所博士学位, 2016年至2019年在麻省理工学院MIT从事博士后研究. 2019年11月加入西湖大学. 王盼实验室聚焦于有机合成化学、能源化学和材料化学交叉领域, 致力于设计和发展新材料、探索其功能性应用.

    “中国青年化学家”专辑.

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22422803); 国家自然科学基金(22101064); 国家自然科学基金(22375167); 国家重点研发计划(2022YFB2405100); 国家重点研发计划(2022YFB2405000); 国科大杭州高等研究院专项资金(2023HIAS-Y018); 浙江省自然科学基金(XHD24B0501)

Research Progress in Positive Redox-active Materials for Aqueous Organic Redox Flow Batteries

Guobao Lia,b, Ruiqing Liua, Yunlong Jia, Pan Wangb,*()   

  1. a School of Chemistry and Materials Science, Hangzhou Institute for Advanced Study, University of Chinese Academy of Sciences, Hangzhou 310024, China
    b School of Science, Westlake University, Hangzhou 310030, China
  • Received:2025-03-07 Published:2025-03-27
  • Contact: Pan Wang
  • About author:

    For the VSI “Rising Stars in Chemistry”.

  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22422803); National Natural Science Foundation of China(22101064); National Natural Science Foundation of China(22375167); National Key R&D Program of China(2022YFB2405100); National Key R&D Program of China(2022YFB2405000); Research Funds of Hangzhou Institute for Advanced Study, UCAS(2023HIAS-Y018); Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(XHD24B0501)

水系有机液流电池作为一种高效、安全、性能可调的大规模储能技术, 近年来受到广泛关注. 本综述总结了水系有机液流电池正极材料的研究进展, 重点探讨了不同类型的有机正极材料, 如二茂铁及其衍生物、铁氰化物及其他铁基配合物、氮氧自由基衍生物、醌类化合物、吩噻嗪衍生物等材料的结构特性、电化学性能与电池表现. 研究表明, 通过分子设计与功能化, 有机活性分子的氧化还原电位、溶解度和稳定性均得到显著提升, 从而优化了电池整体性能. 尽管该领域取得了显著进展, 水系有机液流电池正极材料在电池长时循环稳定性、能量密度提升和成本控制等方面仍存在诸多挑战, 亟待进一步研究解决.

关键词: 水系有机液流电池, 正极储能材料, 二茂铁衍生物, 铁基配合物, 氮氧自由基

Aqueous organic redox flow batteries (AORFBs), recognized as a promising large-scale energy storage technology due to their high efficiency, inherent safety, and tunable performance characteristics, have garnered significant research interest in recent years. This review systematically summarizes recent advances in positive redox-active materials for AORFBs, with a focused analysis of representative organic electroactive species, including ferrocene derivatives, ferrocyanides/iron-based complexes, nitroxide radicals, quinones, and phenothiazine-based compounds. Through molecular engineering strategies such as functional group modification, conjugation extension, and electronic structure modulation, critical properties of organic active materials, including redox potentials, solubility in aqueous electrolytes, and chemical and electrochemical stability, have been substantially enhanced, leading to marked improvements in battery performance metrics. Despite these advancements, the practical deployment of organic positive materials continues to face challenges related to long-term cycling stability under operational conditions, limited energy density, and cost-effectiveness in scalable synthesis and processing, requiring further research and solutions.

Key words: aqueous organic redox flow battery, positive redox-active material, ferrocene derivative, iron-based complex, nitroxide radical