赵东元/晁栋梁课题组Nat. Rev. Electr. Eng.：水系硫基液流电池面向商业化

水系液流电池是颇具前景的大规模储能技术。目前商业化应用以水系钒基液流电池（VRFB）为主，具有长寿命（10-20年）和高能量效率（>80%）优势，但受限于高成本（400-500 $/kWh）、低能量密度（25 Wh/L）及钒盐溶解度限制（<2 M）。

水系硫基液流电池（SRFB）凭借硫的低廉成本（约0.15 $/kAh）和多硫化物的高溶解度（理论可达8.8 M），理论成本优势显著（可低至38.7V $/kWh）。尽管硫-溴体系早在1984年已被提出，但相比VRFB的快速推进，SRFB的研究仍处于相对早期阶段，主要受循环寿命短和能量效率低等问题的制约。因此，复旦大学先进材料实验室赵东元/晁栋梁课题组基于工程角度，系统总结了SRFB走向商业化面临的主要挑战，并提出了一些有望实现SRFB商业化的工程策略，为SRFB的实用化提供了新思路。

SRFB走向商业化主要面临三大挑战

1） 循环寿命短：普遍低于200次循环。主要源于可溶性多硫化物易穿过隔膜到达对电极，引发活性物质流失，并对电极/电解液造成降解。

2） 能量效率低：通常低于50%。核心原因是硫还原反应/硫氧化反应动力学缓慢，即使在有限的电流密度（10-20 mA/cm²）下，SRFB也会出现高过电位（>500 mV）。

3） 器件化设计与电解液瓶颈：电解液设计对提升性能至关重要。为平衡高浓度下的粘度、电导率与渗透压，多硫化物的实际工作浓度通常被限制在3 M以下，限制了能量密度的提升。

图1用于大规模储能的水系SRFB从实验室到工厂的战略蓝图

基于以上讨论，为了实现SRFB未来的商业化，从现在开始应该优先将稳定性评估整合到膜、催化剂和器件工程中。此外，推动SRFB从实验室迈向产业化，需整合化学、材料科学、电气工程、能源与环境科学等多学科力量。学术研究应紧密对接产业需求，从以下关键工程方向入手，协同突破基础科学与器件化难题：

1）隔膜工程：开发兼具高离子选择性与高电导率的离子交换膜，如优化SPEEK（磺化聚醚醚酮）、磺化聚砜、磺化聚酰亚胺等材料，并探索新型耐用的共价有机骨架膜和介孔膜。

2）电极与催化剂工程：设计具有超高比表面积的低成本电极；通过构筑异质结、引入缺陷和掺杂等手段，开发高性能SRR/SOR固体催化剂。

3）电解液工程：筛选稳定液相氧化还原介质（如蒽醌、亚甲基蓝衍生物），加速SRR/SOR反应，降低过电位。调控溶剂化结构，抑制多硫化物穿梭。开发抗冻电解质体系，拓展极端寒冷气候下的应用。

4）新型活性物质与系统集成：探索新型低成本、高溶解度氧化还原电对；协同优化从电池单元到电堆、乃至整个系统层面的兼容性设计。

此工作通过聚焦SRFB走向商业化面临的核心问题，基于工程角度提出了一些潜在的解决方案，有望加速实现SRFB商业化，为大规模储能开辟了新的可能性。

相关成果以Aqueous sulfur-based redox flow battery为题发表于Nat. Rev. Electr. Eng.上。复旦大学先进材料实验室晁栋梁教授为该论文通讯作者，2023级博士生张俊伟为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、博士后基金等资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s44287-025-00153-x