氧化还原液流电池（简称液流电池）是一种易于大规模部署的储能技术,适合解决风力和光伏间歇性发电的问题。在液流电池中,氧化还原活性材料（简称活性材料）蒽醌凭借其潜在成本低、“绿色”、双电子参与反应和性能可调等优点而备受关注。目前水系蒽醌液流电池可以分为酸性、碱性和中性体系,然而制约它们应用的瓶颈主要是:1、蒽醌液流电池的性能较差,不足以和全钒液流电池竞争;2、大部分蒽醌液流电池使用昂贵的Nafion 阳离子交换膜,将推高成本;3、蒽醌分子在中性体系的氧化还原电位较高,将降低电池的理论开路电压。为了解决上述问题,本论文的工作是,通过碳毡电极的改性和合适正极活性材料的选择来改善蒽醌液流电池的性能。另外,设计并合成一系列低氧化还原电位的蒽醌分子,并使得价格廉价的阴离子交换膜成为中性液流电池的离子交换膜。具体4个工作如下:（1）在液流电池中,电压、效率和寿命等性能的改善可以通过电极的预处理实现。为了提升电池性能,采用600℃热氧化法处理聚丙烯腈基碳毡,并研究了不同加热时间对碳毡的影响。热处理可以改善碳毡的浸润性,并有效降低碳毡和2,6-二羟基蒽醌（2,6-DHAQ）之间的电荷转移电阻。2,6-DHAQ/K4Fe（CN）6液流电池以碳毡为电极,并在电流密度为100 mA·cm-2下充放电循环。相较于未处理的碳毡,处理后的碳毡可以使电池的能量效率从54%提高至70%以上、库伦效率从97%提升至99%左右。此外,特定条件的碳毡（CF-2.0）可以显著降低容量衰减率,每次循环仅为0.0287%,是其他条件的1/3。进一步研究容量衰减的机制后发现,在氧气存在下,CF-2.0可以将副产物蒽酮催化回2,6-DHAQ,从而有效降低电池的容量损失。通过对碳毡进行热氧化处理,可以明显改善2,6-DHAQ/K4Fe（CN）6液流电池的性能。（2）活性材料的溶解度直接决定了液流电池的体积容量密度和体积能量密度的高低,因此溶解度是至关重要的参数。本工作设计并合成了一种高水溶性蒽醌分子氯化3-（（9,10-二氧基-9,10-二氢蒽-1-基）氨基）-N,N,N-三甲基丙烷-1-胺（1-DPAQCl）,1-DPAQCl在水中的溶解度为1.44 M。作为1-DPAQCl的同分异构体,氯化3-（（9,10-二氧基-9,10-二氢蒽-2-基）氨基）-N,N,N-三甲基丙烷-1-胺（2-DPAQCl）在水中的溶解度则不足0.05 M。通过研究发现,两种蒽醌分子的结构存在明显差别:2-DPAQCl分子的N-H质子给体和Cl-质子受体之间会形成分子间氢键,而1-DPAQCl分子通过非共价作用发生聚集。聚集效应会促进1-DPAQCl分子在水中溶解,而分子间氢键不利于2-DPAQCl溶于水中。对溶解度较高的1-DPAQCl进行电化学研究发现,不管是在缓冲还是在非缓冲的中性pH溶液下,1-DPAQCl的峰峰间隔ΔEpp都非常窄（小于40 mV）,表明其电化学可逆性高和反应动力学快。随后选择二茂铁衍生物（FcNCl）作为液流电池的正极活性材料,全电池的理论开路电压可以达到1.11 V。1-DPAQCl/FcNCl液流电池在60 mA·cm-2下能够稳定循环100次。这项工作为有关溶解度的研究提供了一种全新的思路。（3）长时间稳定运行是液流电池实际应用的必备条件之一。然而,在上述1-DPAQCl/FcNCl液流电池循环后,阴离子交换膜遭到严重腐蚀,导致电池的寿命缩短。通过研究发现,负极电解液在循环后呈碱性,这可能是膜被腐蚀的诱因之一。为了避免腐蚀,将一些酸性添加剂加到负极电解液中,以维持溶液pH小于7.0。循环结束后发现,尽管观察膜的结构保持良好,但是电池出现电压效率显著降低和容量快速下降的情况。在酸性添加剂无法提高电池稳定性情况下,选择含甘氨酸添加剂的氯化亚铁（Fe（gly）2Cl2）代替二茂铁作为电池的正极活性材料。1-DPAQCl/Fe（gly）2Cl2液流电池的理论开路电压为1.19 V。当1-DPAQCl浓度为0.1 M时,液流电池可以稳定运行600次循环,历时超过220 h。将浓度提高至0.5 M后,电池能够在40 mA·cm-2电流密度下循环150次。上述两种浓度条件均没有观察膜遭受腐蚀的情况,确保了电池长时间稳定循环。该工作证明了水系蒽醌-铁液流电池可以进行长时间循环,因此该类电池具有一定的应用潜力。（4）由于固有的电化学特性（E1/2随着pH的减小而升高）和最低未被占据的分子轨道（LUMO）能级较深,蒽醌分子的E1/2在中性pH条件下普遍较高。对此,设计并合成了三种低电位蒽醌活性材料（1,4-BDPAQCl2、1,5-BDPAQCl2和1,8-BDPAQCl2）。相对于一般氢电极,这些蒽醌在0.5 M氯化钾中的E1/2为-0.55～-0.57 V。低半波电位归因于以下两点:首先,C=O和H-N之间形成的分子内氢键可以削弱阴二离子Q2-结合质子的能力,提高了产物中代表低电位Q2-的比例;其次,与蒽醌相比,引入的双官能团可以将LUMO能级提高到0.22 eV以上。选择Fe（gly）2Cl2作为正极活性材料,液流电池的理论开路电压可达1.27-1.29 V。随后比较了三种蒽醌活性材料在较低浓度（0.1 M）下电池的循环稳定性,发现1,8-BDPAQCl2在300次充放电循环内表现稳定。相比之下,1,4-BDPAQCl2和1,5-BDPAQCl2因发生副反应而表现出较差的循环稳定性。最后,对更高浓度（0.4 M）1,8-BDPAQCl2进一步测试,电池的循环依旧稳定,每次循环的容量衰减为0.048%,每天的容量衰减为0.88%。该工作为设计低电位的中性蒽醌分子提供了参考。