中國儲能網訊：近日，大連化物所儲能技術研究部（DNL17）李先鋒研究員與張長昆研究員團隊在水系有機液流電池研究中取得新進展。團隊設計開發(fā)了一種不對稱的芘類多電子轉移活性分子材料，具有較高的電子濃度和穩(wěn)定的中間半醌自由基。應用該材料的電池的能量密度達到59.6Wh/Lcatholyte，并展現(xiàn)出較好的耐高溫熱穩(wěn)定性。
水系有機液流電池（AOFBs）因其資源豐富、可調性強、本征安全等性質，具有廣泛的應用前景。然而，其大規(guī)模應用仍面臨能量密度低、成本高，以及高濃度下電池性能急劇下降等挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)，增加有機活性分子（ORAMs）單體的電子轉移數可以成倍提升能量密度并降低電解液成本。然而，多電子轉移ORAMs往往面臨穩(wěn)定性與溶解性的“Trade-off”效應。拓展共軛結構可通過電子離域穩(wěn)定中間自由基，但引入的非電化學活性單元往往會降低分子極性并增加分子量，從而降低其在水系電解液中的溶解性。
具有拓展共軛結構的芘四酮母核可以通過烯醇化互變異構，實現(xiàn)可逆四電子轉移。本工作通過在母核中引入單個磺酸基團降低分子平面性，增強單體的區(qū)域電荷密度分布及其與水分子間的氫鍵相互作用，從而提升了電解液的溶解性。同時，該分子通過共軛結構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，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。這使得電池能量密度達到59.6Wh/Lcatholyte，且其對稱電池及全電池在60℃的高溫下經過數千次循環(huán)無明顯容量衰減。該研究為開發(fā)高能量密度和穩(wěn)定性的AOFBs活性分子提供了新思路。
水系有機液流電池是實現(xiàn)清潔能源高效利用的重要途徑之一。近年來，李先鋒和張長昆研究團隊一直聚焦于該體系的研究開發(fā)，在液流電池活性分子設計合成與機理研究方面取得系列進展：提出了活性分子的原位電化學合成方法（Nature Sustain.，2024；Adv. Mater.，2024），設計了高性能的活性分子（Angew. Chem. Int. Ed.，2023；Adv. Funct. Mater.，2024；Adv. Energy Mater.，2025），基于活性分子穩(wěn)定化機制開發(fā)出千瓦級有機液流電池電堆（Energy Environ. Sci.，2023），為水系有機液流電池從實驗室走向實用化提供良好的借鑒。
上述成果以“Four-electron Transferred Pyrene-4,5,9,10-tetraone Derivatives Enabled High-energy-density Aqueous Organic Flow Batteries”為題，于近日發(fā)表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。該成果的第一作者為DNL17博士研究生葛廣谞。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、遼寧省濱海實驗室、中國科學院A類先導專項“基于高比例可再生能源的儲能關鍵技術與示范”等項目的支持。
