【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中性水系有機液流電池(AORFBs)因其資源豐富、分子結(jié)構(gòu)可調(diào)、本征安全性高以及環(huán)境友好等特點，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，有望推動可再生能源從輔助能源向主導(dǎo)能源的轉(zhuǎn)變。電解液作為液流電池的關(guān)鍵組成部分和能量存儲的核心單元，其性能直接決定了電池的成本、能量密度與循環(huán)壽命。2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)是當前AORFBs中研究最為廣泛的正極電解液材料，然而在其4號位引入親水性取代基以提高溶解度的過程中，會引發(fā)質(zhì)子誘導(dǎo)的開環(huán)降解反應(yīng)，從而導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)破壞和電池容量的快速衰減，這也極大限制了AORFBs的研究及產(chǎn)業(yè)化進展。
針對上述問題，西安交通大學前沿院何剛教授課題組在前人工作的基礎(chǔ)上，通過N-乙酰氨基橋連與含氮雜環(huán)接枝策略，設(shè)計合成了5種TEMPO衍生物。結(jié)合原子偶極矩校正的赫希菲爾德電荷(ADCH)、福井函數(shù)及線性離子阱質(zhì)譜(LTQ-XL)分析發(fā)現(xiàn)，芳香族雜環(huán)功能化可在氧化還原循環(huán)過程中實現(xiàn)有利的電荷重分布，同時提升氧化還原動力學性能與分子穩(wěn)定性。其中，二甲基氨基吡啶功能化的TEMPO(DMA-TEMPO)表現(xiàn)出更強的共軛效應(yīng)與堿性，能有效抑制質(zhì)子驅(qū)動的開環(huán)反應(yīng)，顯著增強分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。電池性能測試表明，1 M的 DMA-TEMPO 正極電解液具有優(yōu)異的循環(huán)性能，560次循環(huán)后容量保持率仍達99.98%；2 M體系在100次循環(huán)后容量保持率仍為97%，與結(jié)構(gòu)類似物1 M PA-TEMPO相比，其循環(huán)壽命提升了18倍。
該研究提出了一種合理的分子工程策略，通過調(diào)控電子密度實現(xiàn)氧化還原活性與結(jié)構(gòu)完整性的同步優(yōu)化，闡明了芳香族雜環(huán)的引入可在氧化還原循環(huán)過程中實現(xiàn)高效的分子內(nèi)電荷重分布，能有效抑制質(zhì)子誘導(dǎo)的開環(huán)反應(yīng)，確保優(yōu)異的氧化還原穩(wěn)定性。為高性能水系有機氧化還原液流電池中耐質(zhì)子有機正極電解液的設(shè)計提供了新的思路，并為下一代有機液流電池在大規(guī)模可持續(xù)儲能中的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。以上研究結(jié)果以論文形式發(fā)表在國際化學領(lǐng)域權(quán)威期刊《德國應(yīng)用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上，并被選為Inside Cover。西安交通大學前沿院碩士研究生趙玉婕和青年教師劉旭(青秀)為論文共同第一作者，何剛教授為論文通訊作者，西安交通大學為論文唯一通訊作者單位，相關(guān)工作得到了西安交通大學物理學院侯高磊和李亞柯教授的支持。這也是何剛教授課題組在液流電池正極電解質(zhì)材料研究領(lǐng)域中的重要突破。
該工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學基金、陜西省科技創(chuàng)新指導(dǎo)專項，西安交通大學自主創(chuàng)新能力提升項目、中央高校基本科研經(jīng)費及分析測試共享中心等的支持。
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