年衰减仅0.5%水系液流电池即将问世

19 01月 2021

2021-01-19 09:58

近日，西湖大学理学院王盼课题组及其合作团队发展了新型仿生设计水溶性吩嗪类化合物，赋予水系有机液流电池体系优异的稳定性（即极低的电池容量衰减）。该研究提供了一种新型高稳定性水系有机分子结构骨架设计策略，为进一步设计构建高性能水系液流电池提供了重要理论依据。这一成果作为封面文章发表于《德国应用化学》。

使用水作为介质的水系有机液流电池，是具有较高安全性的储能系统。在水系液流电池领域，一系列基于蒽醌、紫罗碱、二茂铁、氮杂芳环等有机结构骨架的分子，已展现了较为良好的性能和应用前景。然而，目前绝大部分研究工作都是基于商业可得的已知功能染料分子；基于吩嗪类有机结构骨架的衍生物，在前序报道仅有几个例子，均存在水溶性差和会发生化学分解（即不稳定）等问题，且该类化合物衰减机理尚不明确。

为改进现状，西湖大学研究人员将目光投向了自然界来源广泛的氨基酸。研究人员创新地使用氨基酸作为功能化基团（即官能团），引入到吩嗪骨架，通过简单的一步偶联反应，利用氨基酸的水溶性特点及给电子特性，合成了一系列不同位置不同取代基功能化、具有双电子转移中心的水溶性吩嗪类衍生物（AFP）。

氨基酸的给电子特性，降低了电池氧化还原的电势，拓宽液流电池的工作电压范围。而氨基酸的天然水溶性特点，进一步提高了液流电池的能量密度。

课题组系统地探究了吩嗪衍生物“AFP家族”的不同“成员”（即不同支链及不同位置的氨基酸），对水系液流电池性能的影响。结合核磁、高分辨质谱、CV测试等分析手段，他们考察了该类化合物在氧化/还原状态下的稳定性。

研究表明，该液流电池具有极低的容量衰减（0.000002%每圈，0.0015%每天），在长时间充放电的状态下，仅表现出每年0.5%的衰减——这是目前所有报道中，有机液流电池低衰减的新纪录，在水系储能系统中具有较大应用价值。