邱健蓄电池基于空位结构设计策略的液流电池性能调控

作为一项高效的大规模储能技术，液流电池在可再生能源并网和电网调峰领域展现出广阔的应用前景。然而，电极反应动力学缓慢、能量效率低及循环稳定性差等问题，仍制约着液流电池的进一步发展和广泛应用。缺陷工程是一种调控材料物理化学性质的有效策略，为提升液流电池综合性能提供了新途径。在此背景下，本文综述了缺陷设计如何影响电极材料的电子结构、反应动力学、离子传输特性及结构稳定性。研究表明，将缺陷工程与催化电极设计相结合可有效调控液流电池性能。本论文系统梳理了缺陷工程在四种液流电池（全钒液流电池、多硫化物-碘化物液流电池、锌基液流电池及有机液流电池）中的研究进展与应用成果。这进一步验证了该策略的可行性。此外，本文还概述了该领域面临的挑战与未来研究方向。通过对现有研究的综合分析表明，当缺陷工程的设计具有特定目的时，能够显著提升液流电池的整体性能。这为高性能液流电池系统的合理设计提供了科学依据与技术支撑。

图文摘要

本综述总结了空位设计工程在液流电池应用中的最新进展，重点聚焦四大类型：全钒液流电池、多硫化物-碘化物液流电池、锌基液流电池及有机液流电池。

引言

在全球能源危机日益严峻以及实现"低碳环保"目标的迫切需求背景下，开发高效、安全且可扩展的储能技术已成为可再生能源大规模并网的关键。水系氧化还原液流电池（RFBs）因其高安全性、可扩展性、长循环寿命和成本效益等优势，被视为最具前景的解决方案之一。该技术通过溶解在电解液中的活性物质发生氧化还原反应来实现电能的存储与释放。其独特设计实现了功率与容量的独立调节，使其特别适合大规模储能应用。尽管液流电池技术经过数十年发展已取得显著进步，但其大规模商业化仍面临多重挑战。反应动力学迟缓、能量效率受限、化学及循环稳定性不足，以及多电子转移能力受限等问题，持续制约着性能提升与广泛应用。特别是在高电流密度工况下，缓慢的电极反应动力学会导致严重的极化过电位与能量效率下降，这对液流电池的经济性与实用性造成显著影响[1][2]。
材料科学与微纳技术的最新进展为解决上述挑战提供了新途径。空位工程——一种通过可控缺陷设计调控材料本征物理或化学性质的策略——已成为开发和优化新型材料的前沿研究方向。在储能与能量转换领域，精确调控晶体结构中的原子空位构型可显著改善材料关键特性，包括电学性质、电子转移能力和表面特性。这能进一步提升材料表面活性位点密度，从而增强其功能性。在液流电池体系中，空位设计已展现出提升电极材料催化活性与稳定性的巨大潜力[3]。
本文旨在阐明空位设计在调控液流电池性能中的作用及其发展轨迹。在介绍了液流电池主要类型及其发展面临的挑战后，本文简要讨论了通过空位工程调控材料电子结构、离子传输特性和反应动力学的可行性。此外，本研究系统综述了空位设计在不同液流电池体系中的应用，并批判性分析了该领域的局限性与瓶颈。研究结果为设计和开发新一代高性能液流电池提供了重要启示。