  文章导读 ✦ ✦ ✦ 在全球能源转型的背景下，如何实现大规模、低成本且可持续的储能技术成为关键问题。全钒液流电池（VRFB）因其高安全性、长寿命和可调容量，被认为是长时储能的理想选择，但其大规模商业化仍受制于高成本和提升储能性能的瓶颈。针对上述问题，昆士兰大学陶氏可持续工程创新中心张西旺院士团队曾祥康研究员和昆士兰大学澳大利亚生物工程与纳米技术研究中心罗彬副教授合作，在材料类著名期刊Materials Futures系统综述了如何利用生物质衍生材料高效提高 VRFB 电解液、电极和膜等核心组件中的性能，从而实现低成本高能效的先进全钒液流电池。综述表明，蛋白质、碳水化合物等生物质添加剂可有效稳定钒离子、提升电解液性能；农作物废弃物制备的多孔碳电极能显著改善反应动力学；而壳聚糖、纤维素等生物高分子则展现出开发低成本、高选择性膜材料的潜力。文章不仅梳理了材料设计与作用机制，还指出了当前挑战与未来机遇，为绿色低碳储能材料的发展提供了新的思路与方向。 关键词：生物质衍生物、钒氧化还原液流电池、能量储存 Citation: Yuhui Ge, Ming Yong, Xiangkang Zeng, Chao Xing, Zhuyuan Wang, Jindi Yang, Bin Luo, Xiwang Zhang. Biomass-derived Materials forAdvanced Vanadium Redox Flow Batteries[J]. Materials Futures. DOI: 10.1088/2752-5724/adfee4 第一作者：葛宇辉 （博士研究生） 通讯作者：曾祥康研究员，罗彬副教授，张西旺教授 文章亮点
 研究背景 ✦ ✦ ✦ 在“双碳”目标和可再生能源快速发展的背景下，长时储能技术的需求日益迫切。全钒液流电池（VRFB）因高安全性、长寿命和容量可调等优势，被认为是大规模储能的理想选择。但其能量密度不足及核心组件（电解液、电极、膜）成本高昂，限制了进一步商业化。为此，开发低成本、绿色可持续的新型材料成为研究重点。近年来，生物质衍生材料因来源丰富、结构可调、环境友好，在提升电解液稳定性、增强电极催化活性和优化膜选择性等方面展现出独特优势，为推动 VRFB 技术发展提供了新思路。 本文要点 ✦ ✦ ✦ 1. 工作原理与挑战 全钒液流电池（VRFB）由电解液、电极和离子交换膜等核心部件构成，通过 VO2⁺/VO2⁺与V2⁺/V3⁺的可逆氧化还原反应实现能量存储与释放。其性能评价常依赖库仑效率、能量效率、容量保持率和功率密度等指标。然而，VRFB 在发展过程中仍面临多重挑战：电解液存在低溶解度和高温稳定性差的问题；电极普遍受限于润湿性不足和催化活性有限；膜则成本高昂且钒离子交叉严重，导致效率降低。这些瓶颈严重制约了 VRFB 的能量密度与经济性，亟需通过新型材料设计实现突破（图1）。  图1. 全钒液流电池关键组成部分的示意图（上），以及电解液、电极和膜组件中存在的实际问题（下）。 2. 生物质衍生电解液添加剂 电解液稳定性是影响 VRFB 性能的关键因素。本文系统综述了碳水化合物、氨基酸和木质素等生物质分子作为电解液添加剂的作用机理：通过配位和静电作用抑制钒离子沉淀，改善热稳定性（图2a）；在界面处促进电子传递，加速氧化还原动力学（图2b）。例如，乳糖和山梨醇能显著提高容量保持率，甜菜碱和组氨酸在高温下依旧展现优异循环稳定性。这些结果表明生物质分子在延长电解液寿命、提升能量效率方面具有独特潜力。  图2. （a）生物质衍生材料诱导沉淀抑制的三种机制-络合作用，静电吸附与电解质交叉调节。（b）生物质衍生材料作为VRFBs中动力学强化剂的两种机制-电极的表面改性与氧化还原反应的调控。 3. 生物质衍生电极材料 电极是决定 VRFB 能量效率和功率性能的核心。本文从原子掺杂、表面活化与结构调控三方面总结了生物质碳电极的研究进展。蛋白质、氨基酸等富含 N/P/S 元素的生物质在碳化后可形成高密度活性位点，促进电子传递（图3）；木质素、葡萄糖等前驱体在表面改性后可改善润湿性与催化活性；农作物废弃物衍生的多孔碳则为钒离子扩散提供通畅通道，显著降低极化。多策略结合使电极表现出优异的循环稳定性与能量效率（图3）。  图3. 用生物质衍生材料修饰VRFB电极的原子掺杂策略。（a）玉米醇溶蛋白包覆的炭黑纳米颗粒的自组装过程。（b）鸟苷衍生物合成独特碳微球/纳米片复合电极的路线图。（c）未改性石墨毡（GF）和氮掺杂碳纳米球（NCS）/GF在正极和负极电解质中的电解质润湿性。（d）水与电极界面之间的相互作用以及碳毡电极上B、N共掺杂碳纳米管的电子传输机制示意图。 4. 生物质衍生膜材料 离子交换膜在 VRFB 中承担选择性传导与电解液隔离双重功能。纤维素、壳聚糖和木质素等生物高分子通过磺化、氨基化等官能团修饰，可提升质子传导性并有效抑制钒离子交叉，从而提高库仑效率。与传统 Nafion 膜相比，生物质膜不仅显著降低材料成本和环境负担，还具备良好的力学稳定性和化学耐久性。本文指出，进一步优化官能团修饰及复合策略，将推动绿色低成本膜材料在 VRFB 中的应用（图4）。  图4. 生物质衍生物对含氟碳膜的改性。(a) 纤维素纳米晶改性 PVDF 基膜的制备方法与功能机理。(b) 聚二烯丙基二甲基氯化铵与碳纳米管在 Nafion 膜上的逐层组装示意图及显微结构。(c) 涂覆全氟磺酸离聚物的生物纤维素膜制备。(d) COMSOL 模拟中钒离子浓度变化。(e) 木质素-Nafion 复合膜的 X 射线散射图，揭示相分离形貌及质子传导机理。 总结与未来展望 ✦ ✦ ✦ 生物质衍生材料在全钒液流电池（VRFB）电解液、电极与膜等核心部件中的应用已取得显著进展，展现出在提升性能、降低成本与推动绿色储能方面的潜力。然而，从实验室研究走向规模化应用仍面临多层次挑战。在材料层面，不同生物质来源与处理方式导致化学组成和结构差异，亟需深入研究其功能性与稳定性。在组件层面，电解液添加剂需兼顾高稳定性与可回收性，电极需保持导电性和催化活性，膜则需在质子传导与钒离子选择性之间实现平衡。在系统层面，缺乏标准化供应链和大规模经济性评估，使产业化前景存在不确定性。未来研究应结合先进表征与计算模拟揭示机理，借助人工智能加速筛选与结构–性能关联分析，并通过生命周期评估（LCA）与回收利用研究验证其环境优势。通过材料–组件–系统协同优化，生物质衍生材料有望为 VRFB 的可持续发展与商业化提供坚实支撑。  本研究得到了澳大利亚研究理事会（Australian Research Council）碳废物增值加工研究中心 (ARC Research Hub for Value-Added Processing of Carbon Waste, IH230100011）的经费支持。 葛宇辉感谢中国国家留学基金委（CSC）的奖学金资助。 曾祥康研究员感谢澳大利亚研究理事会青年学者基金（Discovery Early Career Researcher Award，DE220100429）的资助。 程 点击阅读精彩往期  第4卷第2期  第4卷第1期  第3卷第4期  第3卷第3期  第3卷第2期  第3卷第1期  第2卷第4期  第2卷第3期  第2卷第2期  第2卷第1期  第1卷第4期  第1卷第3期  第1卷第2期  第1卷第1期 综述论文 || 德国开姆尼茨工业大学朱旻棽研究员团队：释放水系电池中电解质的储能能力   北京理工大学赵永杰团队：氧化物电解质固态钠金属电池界面失效机制全景揭示    期 刊 简 介   扫码关注期刊公众号 Materials Futures（《材料展望》， ISSN 2752-5724）创刊于2022年，由松山湖材料实验室与英国物理学会出版社（IOPP）联合出版，入选“2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”、“2023年度广东省高起点英文新刊项目”，2023年3月成为国际出版伦理委员会 (COPE) 成员，现已被ESCI、Ei、Scopus、Inspec、DOAJ、万方等数据库收录。2025年中科院期刊分区一区,材料科学大类Top期刊。2025年最新影响因子10.8，在全球材料综合类学科领域位列Q1区。2025年6月发布的2024年CiteScore12.5。本期刊面向全球开放获取，免收作者版面费 (APC)。期刊致力于打造材料科学领域的高水平综合性期刊，为全球材料领域科学家搭建学术交流与合作平台。刊载范围聚焦结构材料、能源材料、生物材料、纳米材料、量子材料、信息材料、材料理论与计算。2025年4月，Materials Futures 姊妹刊AI for Science (《智能科学》ISSN 3050-287X) 正式开放投稿。该期刊涵盖人工智能（AI）在物理、材料、化学、生物和数学等领域的前沿研究，刊载范围包括但不限于以下四个研究领域：面向科学研究的AI算法、AI软件与工具包、AI就绪数据集，以及面向科学的具身智能。 自有出版平台 materialsfutures.org 合作出版平台 iopscience.iop.org/mf 期刊投稿链接 mc04.manuscriptcentral.com/mf-slab 编辑部邮箱 editorialoffice@materialsfutures.org 电话 0769-89136816 新刊介绍 Introduction AI for Science (《智能科学》ISSN 3050-287X) 由松山湖材料实验室主办，联合英国物理学会出版社（IOPP）出版，该跨学科期刊涵盖人工智能（AI）在物理、材料、化学、生物和数学等领域的前沿研究，旨在构建一个兼具开放性与专业性的平台。 点击文字，跳转至新刊介绍页面  |
