betway88西汉姆联丁煜课题组长期围绕绿色能源材料分子设计与流体电化学材料研究，提出了耐氧活性分子设计原则（Nat. Commun., 2025, 16, 10338）、电子-空间协同效应调控理念（Sci. Adv., 2026, 12, eaee5328）、人工智能指导的不对称分子设计原则（J. Am. Chem. Soc.,2026, 148, 37930）和液态金属驱动的电池绿色回收方法（Natl. Sci. Rev., 2026, 13, nwag142）。在此基础上，团队针对非水系液流电池（nonaqueous redox flow batteries, NRFBs）这一兼具高理论能量密度与宽温域适应性的长时储能技术方向，系统总结了其低温高海拔、极地能源及工业极端工况场景中的优势，以及高成本、低功率密度、短循环寿命与安全隐患等挑战，相关成果以综述的形式发表于国际期刊Chemical Reviews。论文综合了NRFBs关键材料的最新研究进展，包括溶剂、支持电解质、膜、电极和氧化还原活性分子，并重点介绍了可大幅加速NRFBs研发迭代的新兴技术路径，包括机器学习、原位表征和全生命周期评估（LCA）。最后，本综述从商业化和可持续性角度系统比较了水系与非水系液流电池。本综述旨在凝练NRFBs的设计原则、提出针对性优化策略，为下一代低成本、高能量密度储能电池技术提供指导。
图1. NRFBs各方面研究进展及新兴研究方法。
文章首先从有机溶剂熔点与沸点、黏度、相对介电常数、电化学窗口及环境友好性五个维度，对典型非水溶剂进行了系统的物理化学性质对比。分析指出，非水系电解液的离子电导率普遍低于水系，其根源在于两方面：一是有机溶剂介电常数偏低，导致阴阳离子间静电屏蔽减弱、离子对与离子聚集体大量生成，自由载流子浓度显著下降；二是多数非水溶剂黏度偏高，依据Stokes-Einstein方程，溶质扩散系数随溶剂黏度增大而降低，进而增大电池极化。
图2.水和部分有机溶剂的物理化学性质对比。
此外，有机溶剂的易燃性、挥发性和毒性是工业化的重要障碍，开发深共晶溶剂（DESs）和生物基溶剂等绿色替代体系已成为行业新方向。而膜材料需兼顾高离子电导率、低渗透性和化学兼容性，但有机溶剂易导致聚合物膜溶胀、结构破坏，加剧活性物种交叉污染。电极设计需围绕电荷转移效率、反应动力学及界面兼容性展开，通过碳纳米管修饰、非贵金属氧化物沉积及梯度孔结构设计，可显著提升电极性能。
氧化还原活性有机分子（ROMs）是决定NRFBs性能的核心。其设计需在溶解度、氧化还原电位、动力学和稳定性之间取得平衡。支链效应、离子化策略及弱分子间作用力可提升溶解度；多电子转移分子能提高单分子储能容量，但可能牺牲动力学和稳定性。取代基效应、溶剂与离子配对及空间构型均可调控氧化还原电位。降解路径主要包括亲核攻击、氧化还原后质子化/水解及自由基耦合等，对应的稳定化策略包括分子内位阻、电荷离域及环境控制。
图3.氧化还原活性物质降解途径以及稳定性改进策略。
综述进而重点讨论了机器学习辅助高通量筛选与原位表征技术在加速NRFBs研发中的双重赋能。机器学习在氧化还原电位预测、溶解度评估及分子描述符筛选方面已展现出快速初筛潜力，但高质量标准化实验数据集的缺失、小样本下的不确定性量化、模型可解释性不足以及理想扣式电池构型与实际电堆操作条件之间的鸿沟，仍是制约其走向可靠预测的关键瓶颈。先进原位表征技术为揭示反应机理和降解路径提供了有力工具。此外，全生命周期分析（LCA）技术能够系统性地评估NRFBs在整个生命周期中的环境影响，有望促进NRFBs可持续应用。
图4.机器学习筛选氧化还原活性物质流程示意图。
最后，本综述对NRFBs的商业化前景进行了定量审视。针对当前NRFBs面临的挑战，文章提出未来路线图：分子设计需兼顾合成可扩展性、稳定性和成本；系统级工程应解决离子电导率和黏度瓶颈；可持续性评估需从回顾性LCA转向前瞻性技术经济整合；机器学习和原位表征需克服数据稀缺和堆栈级验证的局限。通过多维度协同优化，NRFBs有望成为低碳、可持续且经济可行的大规模长时储能解决方案。
该综述所构建的“核心组分分析—反应工程问题—先进方法赋能—技术经济评估”四维框架，为非水系液流电池从分子尺度到系统尺度的理性设计提供了科学指引，也为数据驱动筛选与分子结构调控深度融合的下一代低成本、高能量密度储能电池技术勾勒了发展路线。相关研究成果以“Nonaqueous Redox Flow Batteries: Opportunities and Challenges for Sustainable Energy Storage”为题在线发表于Chemical Reviews。
作者信息：betway88西汉姆联博士生汪涛、夏宇恒为论文共同第一作者，betway88西汉姆联丁煜副教授、德州大学奥斯汀分校Guihua Yu教授为论文共同通讯作者，betway88西汉姆联为第一完成单位。
资助与平台：该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金等资助，并获得betway88西汉姆联固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、betway88西汉姆联科研设施共享中心等平台的支持。
