人類社會的可持續發展依賴于對新能源的有效利用。相比于傳統的化石能源，太陽能、潮汐能、風能等環境友好的可再生能源受到了越來越多的關注，然而其隨機性、間歇性等特點又需要發展高效快捷的儲能技術以滿足人類的能源需求。有別于傳統的燃料電池（活性物質與電極的分離）和電化學電池（電化學可逆性），液流電池同時具有可分離的電活性物質儲液罐和可逆的充放電循環性，綜合了能量轉換和能量存儲的優勢，且具有廣泛的能量/功率調節自由度和可擴展性，被視為大規模儲能的理想技術。但是傳統的液流電池的廣泛利用還受限于各方面的因素，包括較低的工作電壓（<1.5 V）和能量密度（<30 Wh/L），基于重金屬的活性物質的資源和環境方面的問題，活性物質穿梭引起的低庫倫效率，昂貴的離子交換膜，強酸性電解液的安全隱患和對儲液罐的腐蝕等等。
近日，德州大學奧斯汀分校余桂華教授課題組在Cell Press旗下的化學旗艦刊物Chem 上在線發表了關于新型液流電池的專題綜述論文，系統總結了基于新能源材料與化學的先進液流電池設計理念，包括對活性物質、電極結構和隔膜的綜合性設計與改進，從而實現對活性物質溶解度、氧化還原電位、分子尺度和穩定性，以及電極的導電性與表面積，隔膜的選擇性與成本，還有能量轉化與儲存系統集成方面的優化。在活性物質部分，該論文系統介紹了基于新化學體系的氧化還原電對設計，包括低熔點的有機活性物質、有機大分子、基于金屬與非金屬的低共熔溶劑、堿金屬負極，從而分別實高的溶解度、抑制的活性物質穿梭、高濃度、高電壓，進而綜合性提高液流電池的能量密度并潛在地降低成本。在電極設計部分，該論文總結了基于懸濁液的電極材料和光充電液流電池，從而分別實現與鋰離子電池媲美的能量密度、能量轉化與儲存一體化設計，降低了能量收集的成本。在隔膜部分，該論文系統介紹了基于雷諾數調控的流體分層以及不互溶溶劑的無隔膜液流電池設計，從而進一步降低了電池的成本，拓寬了應用前景。總結來說，通過功能性導向的有機化學合成與無機材料的制備，利用納米技術在改善材料特性方面的優勢，綜合物質科學、能源科學與工程學的跨學科研究，遵循液流電池的性能指標，包括能量密度、功率密度、庫倫效率和生產成本等等，該文章詳述了新型液流電池的設計方法與性能優化。文章最后討論了液流電池技術在實際商業化應用時所面臨的挑戰，并展望了該領域的發展前景。
余桂華教授課題組近些年從能源化學的角度來設計新型液流電池，綜合化學科學、材料科學和能源科學的跨學科研究，包括通過有機合成對活性物質的物理/化學性能進行優化，結合分子水平的電化學反應機理和反應動力學研究，輔以理論計算模擬，發展了一系列新型有機液流電池、仿生液流電池、低共熔溶劑液流電池等等。通過把“原子經濟性”的原則擴展到能源領域，為下一代綠色儲能材料的開發開創了新的方法，并對氧化還原反應電對的分子設計提供了新的理念。相關工作已經發表在了Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Chem, Joule, Adv. Mater., Angew. Chem., Nano Lett., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater.等著名刊物上，并被多次選作封面文章。
