能源是人类社会发展的物质基础和世界经济增长的重要驱动力，随着科技的不断进步和社会的持续发展，世界各国对能源的需求量和依赖性日益增加，对传统能源的过度依赖及环境污染等一系列能源问题愈发受到人们的关注。可再生能源（如风能、太阳能等）大规模开发及应用是世界各国能源转型和低碳经济发展的重要途径，利用可再生能源发电往往具有间断性、不稳定性等特点，为提高电力系统的安全性、稳定性及经济性，需对大规模储能技术进行开发进而实现调幅调频，削峰填谷，平滑负荷。液流电池作为大规模储能技术之一，其通过正负极储液罐中的活性物质流入、流出电池并发生可逆的氧化还原反应，实现电能和化学能之间的存储与转换。液流电池具有安全性高、设计灵活、循环寿命长、功率和容量可独立设计、电解液可循环利用、环境友好以及选址自由度大等特点，目前已经处于示范阶段，非常适合应用于大规模储能。
美国UT Austin余桂华教授和大连化物所李先锋和张长昆研究员撰文从低碳和可持续的角度，对近年来液流电池的发展进行综述，并对液流电池的关键组成部分（氧化还原活性材料、离子传导膜、电极）进行了分析和评价，并对液流电池未来发展方向进行预测。
▲Figure 1 (a)Schematic illustration of FB technology. (b) Flow cell structure.
结合近年来典型的液流电池及关键材料，本文提出了9条评价标准用以评估液流电池中各组件的相关特性。具体包括电池的循环寿命及成本、原材料的来源及安全性、制备过程的安全性及可行性、废弃物回收与处理及合成过程的原子经济性等。根据关键材料与电池性能的构效关系，从原料到产品再到性能，建立了一套模式化的分析流程，通过对关键材料的可行性、成本效益、绿色环保等指标进行评分和对比，综合分析了材料的应用前景及电池发展方向。
不同于以往综述对液流电池性能及特点的分析和总结，本文从一个新的角度：低碳可持续发展，对不同类型液流电池及关键材料进行一系列对比和评价。液流电池是一种以应用为导向的大规模储能技术，“如何减少碳排放并构筑高性能、可持续的电池材料”是本文核心点。除了常规对材料制备、结构优化及电池性能提升方面的总结外，本文从技术可持续和环境可持续两方面，对电池关键材料大规模应用示范的可行性进行深入分析和讨论。
▲Figure 2 Sustainability of FBs and evaluation parameter details.
本文从液流电池关键材料的角度对电池现状及未来发展进行了分析和讨论，液流电池关键材料可划为三类：氧化还原活性物质、离子传导膜和电极。
氧化还原活性物质可分为无机和有机两类，无机氧化还原活性物质（如钒、铁、铬、锌、溴、碘等）主要通过原子价态变化进行电子得失从而实现充放电氧化还原，有机氧化还原活性物质（如醌、联吡啶、TEMPO、吩嗪、吩噻嗪、偶氮化合物等）主要通过可逆的互变异构实现氧化还原反应。从原材料获取（物料来源、价格、安全性等）到电解液配置（支持电解质的选择、溶解度、电位）再到电池性能测试（倍率性能、能量密度、电池寿命等），对各类活性物质的特性和制备过程进行了归纳、总结、分析和优选，对比了各类材料和制备方法的优缺点，评估了规模化应用的可行性。
离子传导膜可分为致密离子交换膜和多孔离子传导膜，致密离子交换膜包括含有荷电基团（阴、阳、两性离子交换膜等）及不含荷电基团（聚苯并咪唑等）的致密膜，多孔膜可分为自具微孔膜（PIM, TB等）及人工制孔膜（相转化、氧化、模板法等）。致密离子交换膜通过亲水的离子簇作为离子通道，进行离子的跨膜传导；多孔膜通过孔径筛分及位阻效应传导支持电解质而阻挡活性分子，进而实现对溶液中离子的选择性筛分。致密离子交换膜官能团结构及荷电情况，和多孔离子传导膜孔径尺寸及分布影响膜的电导率、选择性和稳定性。不同形貌和结构的膜材料应用于不同的液流电池体系。对不同类型的离子传导膜的原料（小分子单体种类、价格）、合成（官能化、聚合、制膜工艺等）及电池性能（电导率、选择性、稳定性等）进行逐一分析和评价，对比了各类材料和制膜方法的特点，预测了工业化生产的可行性。
电极是电化学反应发生的主要场所，液流电池电极可根据材料种类分为碳电极和金属及金属氧化物电极，碳电极包括碳毡碳纸碳布等材料，金属及金属氧化物电极包括铱、铋、锰、铂、三氧化钼、二氧化钌等。电极的电导率、反应活性面积及亲水性影响电池的电化学极化，欧姆极化和浓差极化，此外电极的机械强度和化学稳定性影响电池的循环寿命。对不同类型的电极材料（人造聚合物、天然产物）、制备方法（高温煅烧、酸处理、电化学等）及电池性能（倍率性能等）进行了分析，从低碳和安全角度对比了不同材料电极的制备方法及优化策略。
文章从三种关键材料入手，从技术可持续和环境可持续角度，结合前文提出的材料评价标准，对各关键材料进行了分析，对比了优点和局限性并对其规模化制备的可行性做出评价。
除了常规液流电池体系，文章还介绍了半固态液流电池、太阳能液流电池等新体系液流电池。基于现有的液流电池研究，文章对“如何定义储能材料的可持续性”、“什么样的材料兼具高性能和低成本”、“如何通过相对绿色环保的方式构筑高性能储能材料”、“如何从小电池走向规模化”等问题进行了讨论，当然文中的讨论和观点可能是不全面的，希望读者和研究者们能够发现更多问题并提供更多建议，共同促进液流电池及储能技术领域更加绿色得发展。
▲Figure 3 The whole life of sustainable development for FB technology.
原文始发于微信公众号（研之成理）：液流电池最新CSR大综述
