南京工业大学黄康&华东理工大学徐至&南京大学金钟最新CSR | 面向新一代金属基混合液流电池的新兴沉积-溶解化学的研究进展与展望!
- 2026-05-09 11:27:12
南京工业大学黄康&华东理工大学徐至&南京大学金钟最新CSR | 面向新一代金属基混合液流电池的新兴沉积-溶解化学的研究进展与展望!
【做计算 找华算】华算科技预存增值高至30%，送￥8500+返利！Nature/Science课题组长期合作，全年科研无忧，快来抢占! 劲爆低价！DFT计算5折开抢！催化/电池/半导体计算全覆盖，服务至审稿意见结束！ 随着化石燃料枯竭和环境污染加剧，间歇性可再生能源的有效利用需要大规模长时储能技术。金属基混合液流电池（MBHFBs）凭借独特的沉积-溶解化学和丰富的金属资源，在能量密度和成本效益方面具有巨大潜力。 然而，金属基混合液流电池的应用推广与机理认知仍处于起步阶段。此外，金属种类的差异导致不同金属基混合液流电池面临截然不同的挑战。 2026年4月13日，南京工业大学黄康、华东理工大学徐至、南京大学金钟在国际知名期刊Chemical Society Reviews发表题为《Emerging deposition–dissolution chemistry for next-generation metal-based hybrid flow batteries: progress and perspectives》的研究综述，Jie Wei为论文第一作者，黄康、徐至、金钟为论文共同通讯作者。 
为系统性解决这些挑战，本综述以沉积-溶解化学为核心主题，从全方位视角对金属基混合液流电池进行了全面分析。 横向层面，基于非水/水相电解质将金属基混合液流电池分为两大类，并根据负极金属进一步细分为11个子类，从工作原理、结构构型、优势、挑战及对应策略方面进行了评估。 纵向层面，综述了四大核心部件（电解质、电极、隔膜、双极板）的研究进展与局限性，旨在揭示其内在关联与协同效应。 最后，作者提出了金属基混合液流电池十个具有前景的未来研究方向。 本综述旨在深化对金属基混合液流电池设计原则与优化策略的理解，助力构建沉积-溶解化学的统一理论框架，为开发下一代低成本、高能量密度储能技术提供相关见解。 随着人类社会与经济的持续发展，化石燃料供应逐渐减少，能源短缺问题日益紧迫。同时，随着人类生产能力的提升与产品需求的激增，大量传统燃料的燃烧导致环境污染问题愈发严重。能源危机与环境问题对全球经济增长产生负面影响，形成恶性循环。因此，发展清洁可再生能源、构建低碳社会是符合全人类共同利益的必然趋势。 然而，风能、太阳能等可再生能源的电力输出具有固有的波动性、随机性与间歇性，无法通过人为干预灵活调节以提升发电效率。可再生能源的非稳态特性导致能源生产与消费在时间和空间上不匹配。大规模长时储能技术可有效平抑功率输出、实现削峰填谷，实现能源资源的时空优化配置。因此，有必要进一步推动低成本、大规模、长时储能技术的发展，保障可再生能源与智能电网的适配性。 氧化还原液流电池（RFBs）是极具前景的大规模长时储能技术。如图1a所示，传统液流电池（又称全可溶性液流电池，ASFBs）利用溶解在电解液中的氧化还原活性物质形成氧化还原对，通过电解液在外部储罐与电池内部循环，在碳毡上实现可逆氧化还原反应。氧化还原液流电池可实现电能与化学能的可逆转换，具备高安全性、功率与容量解耦等优势。此外，氧化还原液流电池在智能电网储能方面具有潜在优势，其寿命与成本直接影响零碳电力上网价格。 全钒氧化还原液流电池（VRFBs）与铁-铬液流电池作为全可溶性液流电池的主要代表，目前面临系统成本高、能量密度相对较低、工作温度范围窄等挑战。全可溶性液流电池能量密度较低，需要使用更大体积的电解液，进而导致成本增加。因此，开发低成本、高能量密度液流电池是目前液流电池领域的研究重点。 金属基混合液流电池（MBHFBs）凭借低成本、可规模化、响应快、高能量密度、宽温域、环境友好、适配性强等优势，成为大规模储能与可再生能源并网的理想解决方案。金属基混合液流电池是一类新兴可充电液流电池，利用金属在氧化还原反应中的沉积与溶解实现储能与释能。通常，金属基混合液流电池一侧电解液发生金属相转变反应，另一侧电解液发生可溶性活性材料的氧化还原反应（图 1b）。与传统全可溶性液流电池类似，金属基混合液流电池的氧化还原反应仅发生在反应器内的电解液-电极界面。 20世纪70年代出现了首个真正实用的金属基混合液流电池，以锌-溴（Zn-Br2）液流电池为主要原型。此后，多种金属离子/金属氧化还原对被证实可应用于金属基混合液流电池，形成清晰的发展主线。总体而言，金属基混合液流电池凭借低工作电位、高重量/体积容量、低成本金属的多电子氧化还原反应，普遍具备高电压、高能量密度、成本效益显著等优势。 根据所用溶剂的不同，金属基混合液流电池分为水相金属基混合液流电池与非水金属基混合液流电池。水相金属基混合液流电池以水为溶剂，具有离子电导率高、环境友好、成本极低等优势。然而，水的分解电位限制了水相金属基混合液流电池的工作电压窗口，进而限制了能量密度与金属基活性材料的选择范围。 相比之下，非水金属基混合液流电池采用水以外的溶剂（如有机溶剂或离子液体），相比水相电解液具有更宽的工作电压窗口，可选用更多种类的金属基活性材料。但与水相金属基混合液流电池相比，非水体系存在潜在安全风险、环境问题与成本压力。在二次电池金属沉积-溶解化学研究热潮的背景下，基于该化学原理的金属基混合液流电池也迎来了新的发展机遇。近年来，金属基混合液流电池的相关发表论文数量大幅增长，尤其是 2018年之后（图 2c），这得益于其优异的成本效益与高比容量，在各类储能应用中极具吸引力。 尽管近年来金属基混合液流电池的研究成果激增，但不可否认的是，这类电池的应用发展以及沉积-溶解化学的机理研究仍处于起步阶段。这主要是因为作者对新兴沉积-溶解化学策略及各类金属基混合液流电池的认知尚不完整：可用于金属基混合液流电池的金属种类丰富，不同金属的氧化还原电位、比容量、耐腐蚀性、枝晶生长倾向等关键特性存在差异，导致不同类型金属基混合液流电池面临独特挑战；金属沉积-溶解过程存在复杂的相转变现象，固-液相间相互作用与固-液界面行为复杂。金属沉积-溶解行为受多种因素与干扰影响，目前的认知尚不足以建立沉积-溶解化学的统一理论框架。 此外，据作者所知，现有的金属基混合液流电池综述主要聚焦特定类别或单一电池体系（如锌基混合液流电池、锌-溴液流电池），而非对整个领域进行全面综述。在金属基混合液流电池的广泛研究范畴内，以沉积-溶解化学为主线开展全面整体的综述是可行且合理的，也有助于为读者呈现该领域更完整的全景。 各类金属基混合液流电池具有内在相似性，不同体系在工作原理（均以沉积-溶解化学为核心）、共性挑战（界面不稳定性、枝晶生长、副反应等）与核心研究策略（关键材料设计与优化等）方面高度一致，因此对应的研发思路与成功策略具有普适性。此外，可合理利用不同体系间的内在关联：针对某一类金属基混合液流电池开发的有效技术方案与成熟方法，可为其他金属基混合液流电池的研究提供重要借鉴与参考，相关研究成果与技术路径也可在不同体系间灵活借鉴与迁移。 因此，为深化对下一代液流电池系统中新兴沉积-溶解化学的应用与机理认知，后续章节将聚焦各类金属基混合液流电池的基础认知，涵盖工作原理、内在优势、技术挑战、对应解决策略与未来发展前景。本综述从历史发展视角对不同金属基混合液流电池体系的关键问题与现有策略进行批判性分析，而非仅汇编最新研究成果。作者旨在形成对整个金属基混合液流电池领域的整体认知，系统阐明潜在关联，提供全面的策略见解。 此外，鉴于金属基混合液流电池的大规模应用尚未成熟，提出可靠的下一代金属基混合液流电池系统的设计原则与实用建议既恰逢其时，又意义重大。对下一代金属基混合液流电池沉积-溶解化学策略的全面深入分析，有望推动大规模、高能量密度、低成本储能技术的未来发展与广泛应用。 
图1：(a) 传统全可溶性液流电池示意图；(b) 金属基混合液流电池示意图。 
图2：(a) 金属基混合液流电池中常用氧化还原对的标准氧化还原电位与电子转移数；(b) 金属基混合液流电池中常用金属与金属氧化物的理论比容量和体积容量对比；(c) 不同金属基混合液流电池的发表论文数量。 
图3：四种重要锂基混合液流电池的结构。(a) 典型的锂浆料混合液流电池构型，以锂金属为负极，阴极活性材料与导电剂分散在阴极电解液中；(b) 标准锂 - 氧混合液流电池设计，以锂金属为负极，氧气在阴极电解液中循环；(c) 代表性锂可溶性混合液流电池示意图，锂金属负极搭配溶解在阴极电解液中的可溶性氧化还原活性材料；(d) 典型锂靶向混合液流电池排布，锂金属负极搭配存储在阴极电解液中的固态氧化还原靶向活性材料。 
图4：左：锂电池中理想规则沉积形貌与常见不规则沉积形貌示意图；右：电沉积过程、电沉积理论及其边界条件示意图。 
图5：(a) 近几十年锂基混合液流电池阴极发展时间线；(b-e) 浆料关键性能指标评估：(b) 电子电导率测试曲线，(c) 离子电导率测试曲线，(d) 粘度测试曲线，(e) 静态实验评估；提升浆料导电性的方法：(f)-(h) 与碳材料机械混合，(i) 碳包覆。 综上，作者围绕下一代金属基混合液流电池（MBHFBs）的新兴沉积-溶解化学展开系统性综述，以该核心化学为主线，全面梳理了非水相 / 水相两大类、共 11 种金属基混合液流电池的工作原理、结构构型、优势与挑战，并系统分析了电解质、电极、隔膜、双极板四大核心部件的研究进展与局限。 研究明确了不同金属基混合液流电池的共性与个性问题，提出了10大前沿研究方向与全链条优化策略，建立了沉积 - 溶解化学的统一认知框架，为低成本、高能量密度长时储能技术的开发提供了关键理论与设计指导，未来可广泛应用于大规模可再生能源并网、智能电网调峰、工商业储能及分布式微网等场景，是支撑全球能源转型的核心储能技术方向之一。 Emerging deposition–dissolution chemistry for next-generation metal-based hybrid flow batteries: progress and perspectives.Chem.Soc.Rev., 2026.https://doi.org/10.1039/D5CS01418B. #黄康#徐至#金钟#南京工业大学#华东理工大学#南京大学#ChemSocRev#电池 👉 点击阅读原文，立即下单！
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