近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李先鋒與張長(zhǎng)昆團(tuán)隊(duì)在水系有機(jī)液流電池研究方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了不對(duì)稱的芘類多電子轉(zhuǎn)移活性分子材料。這一材料具有較高的電子濃度和穩(wěn)定的中間半醌自由基。研究顯示，應(yīng)用該材料的電池的能量密度達(dá)59.6Wh/Lcatholyte，展現(xiàn)出較好的耐高溫?zé)岱€(wěn)定性。
水系有機(jī)液流電池（AOFBs）具有資源豐富、可調(diào)性強(qiáng)、本征安全等性質(zhì)。然而，水系有機(jī)液流電池大規(guī)模應(yīng)用面臨能量密度低、成本高和高濃度下電池性能急劇下降等問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，增加有機(jī)活性分子（ORAMs）單體的電子轉(zhuǎn)移數(shù)可以成倍提升能量密度并降低電解液成本。而多電子轉(zhuǎn)移ORAMs面臨穩(wěn)定性與溶解性的Trade-off效應(yīng)。拓展共軛結(jié)構(gòu)可通過(guò)電子離域穩(wěn)定中間自由基，但引入的非電化學(xué)活性單元會(huì)降低分子極性并增加分子量，進(jìn)而降低其在水系電解液中的溶解性。
具有拓展共軛結(jié)構(gòu)的芘四酮母核可以通過(guò)烯醇化互變異構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可逆四電子轉(zhuǎn)移。研究在母核中引入單個(gè)磺酸基團(tuán)以降低分子平面性，增強(qiáng)單體的區(qū)域電荷密度分布及其與水分子間的氫鍵相互作用，提升了電解液的溶解性。同時(shí)，該分子通過(guò)共軛結(jié)構(gòu)的有效離域及其在水溶液中有序的π-π堆積，穩(wěn)定了中間半醌自由基，表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。這使電池能量密度達(dá)到59.6Wh/Lcatholyte，且其對(duì)稱電池及全電池在60℃的高溫下經(jīng)過(guò)數(shù)千次循環(huán)而無(wú)明顯容量衰減。
上述研究為開(kāi)發(fā)高能量密度和穩(wěn)定性的水系有機(jī)液流電池活性分子提供了新思路。
相關(guān)研究成果以Four-electron Transferred Pyrene-4,5,9,10-tetraone Derivatives Enabled High-energy-density Aqueous Organic Flow Batteries為題，發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（JACS）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）等的支持。
論文鏈接
水系有機(jī)液流電池研究獲進(jìn)展
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