新研究可提升水系有機液流電池的能量密度

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員李先鋒與研究員張長昆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，應用該材料的電池展現(xiàn)出較好的耐高溫熱穩(wěn)定性。相關成果發(fā)表在《美國化學會志》上。

芘類多電子轉移活性分子材料示意圖。大連化物所供圖

水系有機液流電池因其資源豐富、可調性強、本征安全等性質，具有廣泛的應用前景，是實現(xiàn)清潔能源高效利用的重要途徑之一。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，上述轉移往往面臨穩(wěn)定性與溶解性的“Trade-off”效應。并且，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。

該研究為開發(fā)高能量密度和穩(wěn)定性的水系有機液流電池活性分子提供了新思路。