与目前的商业无机材料相比，有机电活性材料具有潜在的可持续生产和结构可调性的优势。遗憾的是，基于有毒氧化还原活性金属离子的传统氧化还原液流电池在资源利用和环境保护方面存在一定的不足。相比之下，近年来，水系氧化还原液流电池（ARFB）中的有机电活性材料由于其固有的安全性，在低成本和可持续的储能系统中受到了广泛的关注。
近日，南开大学陈军院士等团队在国际顶级期刊《Advanced Materials》上发表了题为《Organic Electroactive Materials for Aqueous Redox Flow Batteries》的综述性论文，旨在提供用于ARFB的有机电活性材料的最新进展。首先对ARFB中有机电活性材料的主要反应类型进行了分类，以概述如何调节其溶解度、电势、稳定性和粘度。然后，根据醌、紫原、氮氧自由基、氢醌等的类型，总结了ARFB中的有机阳极电解液和阴极电解液，并重点介绍了如何通过设计各种官能团来提高溶解度。接下来，介绍了用于ARFB的有机电活性材料的表征研究进展。最后建议未来的工作重点是构建中性ARFB，通过分子工程设计先进的电活性材料，并解决商业应用的问题。
图1总结了ARFB中具有代表性的有机电活性材料的发展时间表。近年来不断增长的进展提出了对用于ARFB的有机电活性材料进行批判性总结和展望的必要性。在这篇综述中，从ARFB中有机电活性材料的工作原理和一般设计策略的概述开始。然后综述了水系有机氧化还原液流电池中有机电活性材料的研究进展和表征技术，重点是通过设计官能团来提高其溶解度和工作潜力。最后，将讨论AORFB的挑战和前景。
图1、ARFB中具有代表性的有机电活性材料的开发。
图2、（a） AORFB配置示意图。（b） 提出了三种反应类型的ARFB中有机电活性材料的工作原理。
图3、以蒽醌为例，总结了提高AORFBs中有机电活性材料电化学性能的策略。
图4、ARFB代表性电活性材料氧化还原电位的比较。
图5、一些典型的带有羟基的蒽醌衍生物及其功能化衍生物的结构。
图6、一些典型的（a）苯醌和（b）具有羟基的萘醌衍生物及其官能化衍生物的结构。（c） 已报道的无机和有机醌ARFB的工作电压的比较。
图7、一些典型的带有磺酸基团的蒽醌和萘醌衍生物及其功能化衍生物的结构。
图8、一些典型的具有烷基和/或3（三甲铵基）丙基的紫精衍生物及其官能化衍生物的结构。
图9、一些典型的具有3-（三甲铵基）丙基的延伸紫精衍生物及其功能化衍生物的结构。
图10、一些典型的具有（a）磺酸根或（b）羟基的紫精衍生物及其官能化衍生物的结构。
图11、其他anolytes的化学结构。
图12、典型的氮氧化物自由基及其官能化衍生物的结构。
图13、AORFBs中一些双极性氧化还原活性材料和聚合物阴极的结构。
图14、一些具有磺酸基的对苯二酚衍生物及其其他官能化衍生物的结构。
图15、已报道的AORFB的电化学性能总结。
图16、AORFB中典型表征技术概述。
【结论和展望】
作为一种满足大规模储能安全性和成本要求的储能系统，ARFB与当前的可充电电池技术兼容，并引起了广泛关注。近年来，通过应用有机电活性材料，ARFB的研究取得了重大进展。本综述总结了近年来在ARFB中有机电活性材料的研究进展。尽管现有的一些方法可以实现高性能的AORFB，但应该承认，AORFB的商业应用还有很长的路要走。关于ARFB中有机电活性材料的未来发展方向，应更多关注以下方面（图17）：（1）开发中性水系氧化还原液流电池。使用中性水溶液作为ARFB的电解质具有高安全性、低腐蚀性、低成本和环境友好的优点。此外，中性ARFB的电解质组成对水系电解质的电化学窗口、有机电活性材料的溶解度和AORFBs的循环稳定性有显著影响。对于AORFB，中性溶液通常表现出比酸性或碱性溶液更低的离子电导率，这可能导致电池的动力学更低。支持电解质的选择和优化可能是提高中性AORFB性能的重要策略。此外，很少有研究关注活性材料的溶解度和电化学性能与支撑电解质组成之间的关系。水溶液中溶质离子的类型和浓度会改变有机氧化还原活性材料的溶解度和动力学性能，影响AORFBs的能量密度和输出功率。因此，开发中性AORFB是推动AORFB走向实际应用的重要策略。
图17、有机电活性材料在水系氧化还原液流电池中的应用前景。重点是开发中性水系氧化还原液流电池，通过分子工程设计先进材料，解决工业化和应用问题。
（2）通过分子工程设计先进材料。分子工程策略是提高有机分子在水溶液中电化学性能的主要方法。通过调节取代基、共轭结构、库仑相互作用和分子量，可以合理优化有机电活性材料在ARFB中的电化学性能。对于AORFBs，设计新的有机氧化还原活性分子和调整现有氧化还原活性材料的官能团是提高溶解度和电化学性能的主要策略。因此，基于分子工程的有机电活性材料为实现高能量密度和功率密度ARFB提供了巨大的潜力。
（3）解决工业化和应用问题。尽管有机材料丰富，但大规模生产低成本、高质量的有机电活性材料仍然具有挑战性。对于AORFB，特别是中性AORFB来说，提高有机氧化还原材料在水溶液中的溶解度是提高其能量密度的主要策略之一。然而，有机氧化还原活性材料在水溶液中的溶解度是有限的。当浓度达到阈值时，电化学过程中的副反应将变得严重，导致有机电活性材料的利用率下降。因此，很难在高浓度下保持有机氧化还原活性材料的电化学稳定性。我们相信，通过在有机分子和电解质设计、材料制造和电池工程工艺方面的持续努力，AORFB将发挥其可持续性、高能量密度和低成本等优点。
Organic Electroactive Materials for Aqueous Redox Flow Batteries Gaojing Yang, Yaxun Zhu, Zhimeng Hao, Yong Lu, Qing Zhao, Kai Zhang and Jun Chen* doi: 10.1002/adma.202301898
