中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，大連化物所儲(chǔ)能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員與張長(zhǎng)昆研究員團(tuán)隊(duì)在水系有機(jī)液流電池研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種不對(duì)稱的芘類多電子轉(zhuǎn)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(yīng)用該材料的電池的能量密度達(dá)到59.6Wh/Lcatholyte，并展現(xiàn)出較好的耐高溫?zé)岱€(wěn)定性。
水系有機(jī)液流電池（AOFBs）因其資源豐富、可調(diào)性強(qiáng)、本征安全等性質(zhì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，其大規(guī)模應(yīng)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(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。然而，多電子轉(zhuǎn)移ORAMs往往面臨穩(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)活性單元往往會(huì)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(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。本工作通過(guò)在母核中引入單個(gè)磺酸基團(tuán)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，從而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，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。這使得電池能量密度達(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)無(wú)明顯容量衰減。該研究為開(kāi)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(jī)液流電池是實(shí)現(xiàn)清潔能源高效利用的重要途徑之一。近年來(lái)，李先鋒和張長(zhǎng)昆研究團(tuán)隊(duì)一直聚焦于該體系的研究開(kāi)發(fā)，在液流電池活性分子設(shè)計(jì)合成與機(jī)理研究方面取得系列進(jìn)展：提出了活性分子的原位電化學(xué)合成方法（Nature Sustain.，2024；Adv. Mater.，2024），設(shè)計(jì)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(jī)制開(kāi)發(fā)出千瓦級(jí)有機(jī)液流電池電堆（Energy Environ. Sci.，2023），為水系有機(jī)液流電池從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没峁┝己玫慕梃b。
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(guó)化學(xué)會(huì)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧省濱海實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院A類先導(dǎo)專項(xiàng)“基于高比例可再生能源的儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)與示范”等項(xiàng)目的支持。
