近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲能技術(shù)研究部研究員李先鋒、張長昆團(tuán)隊聯(lián)合長春應(yīng)化所李勝海研究員在水系有機(jī)液流電池研究方面取得新進(jìn)展。合作團(tuán)隊提出了原位電化學(xué)氧化合成方法，制備出耐氧性的萘衍生物，其在液流電池中作為正極活性分子展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，在正極電解液連續(xù)鼓入空氣的條件下，該電池仍能夠穩(wěn)定循環(huán)600圈（超過20天）以上，證明了萘衍生物正極活性分子具有優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性?；诖?，團(tuán)隊實現(xiàn)千克級分子制備，并成功將其應(yīng)用于電堆測試。
液流電池有機(jī)活性分子的穩(wěn)定性和成本是重要評價標(biāo)準(zhǔn)。目前，有機(jī)活性分子面臨水溶性相對較低、穩(wěn)定性差、合成成本高等問題。尤其在非惰性氣體保護(hù)下，有機(jī)活性分子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電池的循環(huán)穩(wěn)定性受到巨大的挑戰(zhàn)。
本工作中，為合成低成本、高穩(wěn)定性的有機(jī)活性分子，李先鋒和張長昆團(tuán)隊以大宗性化學(xué)品羥基萘作為底物，采用化學(xué)合成和電化學(xué)合成相結(jié)合的制備策略，制備出多取代基修飾的萘醌活性分子。該方法簡單高效，無需復(fù)雜的分離純化過程，簡化了合成步驟的同時降低了成本。此外，團(tuán)隊通過原位核磁共振和離線液質(zhì)聯(lián)用等譜學(xué)方法分析了不同結(jié)構(gòu)衍生物的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明，在電化學(xué)氧化階段，萘衍生物羥基對位側(cè)的芐胺官能團(tuán)離去，并與水反應(yīng)氧化生成萘醌，進(jìn)一步與水加成生成多取代的萘醌活性分子。理論計算和實驗結(jié)果表明，二甲胺官能團(tuán)提高了萘醌分子的溶解性的同時對分子活性中心起到保護(hù)作用，從而提升了高濃度電解液的穩(wěn)定性。研究團(tuán)隊進(jìn)一步采用一體化裝置將萘活性分子的合成過程進(jìn)行放大，單次可制備5千克萘衍生物分子，并進(jìn)行了電堆穩(wěn)定性測試。
該研究有望為低成本、高穩(wěn)定液流電池活性分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計及合成方法優(yōu)化提供新思路，有助于將水系有機(jī)液流電池規(guī)?；蛯嵱没?。
上述成果以“Air-stable naphthalene derivative-based electrolytes for sustainable aqueous flow batteries”為題，于近日發(fā)表在《自然-可持續(xù)》（Nature Sustainability）上。該成果的共同第一作者為大連化物所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生趙子銘（已畢業(yè)）和李天宇副研究員。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧濱海實驗室和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性A類先導(dǎo)專項“基于高比例可再生能源的儲能關(guān)鍵技術(shù)與示范”等項目的支持。
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