發(fā)布時(shí)間：2023年1月16日
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“十四五”是碳達(dá)峰的關(guān)鍵窗口期，以風(fēng)電、光電為代表的新能源作為可再生能源的主力軍，必將在未來清潔低碳、安全高效的能源體系中起到至關(guān)重要的作用。然而，風(fēng)光等新能源發(fā)電存在間歇性、波動(dòng)性、隨機(jī)性等問題，給新能源電力并網(wǎng)帶來巨大挑戰(zhàn)。很明顯，要實(shí)現(xiàn)以風(fēng)、光為代表的新能源的高效利用，發(fā)展大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)勢(shì)在必行。中性水系有機(jī)液流電池（AORFBs）因其能量與功率之間相互解耦、高安全、綠色環(huán)保和低成本等優(yōu)點(diǎn)，在眾多大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)中脫穎而出，有望成為未來規(guī)模化能源存儲(chǔ)的首選方案。
有機(jī)電解液作為中性水系有機(jī)液流最為重要的組成部分，直接決定著電池的性能。目前應(yīng)用最為廣泛的紫精基電解液材料多以單電子存儲(chǔ)機(jī)制為主，而其雙電子存儲(chǔ)穩(wěn)定性欠佳，300次循環(huán)容量保持率低于90%。從機(jī)制上講，這都源于在電子轉(zhuǎn)移過程中，高度還原態(tài)吡啶環(huán)由芳香性變?yōu)榉捶枷阈裕瑢?dǎo)致電解液穩(wěn)定性下降。相比于紫精衍生物，二酰亞胺衍生物具有優(yōu)異的平面共軛剛性結(jié)構(gòu)，在多個(gè)氧化還原狀態(tài)均保持高度穩(wěn)定性。同時(shí)，由于強(qiáng)π-π共軛和弱p-π共軛，進(jìn)一步促進(jìn)了其氧化還原活性和穩(wěn)定性。因此，發(fā)展基于二酰亞胺新型有機(jī)電解液將會(huì)解決雙電子存儲(chǔ)電解液的穩(wěn)定性問題，進(jìn)一步提升中性水系有機(jī)液流電池的性能。
針對(duì)上述問題，西安交大前沿院何剛教授團(tuán)隊(duì)采用共軛擴(kuò)展和水溶性修飾等手段，成功制備了一系列大共軛結(jié)構(gòu)的二酰亞胺衍生物（NDI、PDI和TPDI），并將其作為有機(jī)負(fù)極電解液制備了高穩(wěn)定性、雙電子存儲(chǔ)的中性水系有機(jī)液流電池。DFT計(jì)算結(jié)果表明，在高度還原態(tài)，二酰亞胺衍生物的芳香性進(jìn)一步增強(qiáng)，這也是所發(fā)展的有機(jī)液流電池具有雙電子存儲(chǔ)高穩(wěn)定性的內(nèi)在原因。較之先前研究，基于二酰亞胺衍生物的中性水系有機(jī)液流電池表現(xiàn)出迄今為止最為穩(wěn)定的雙電子存儲(chǔ)能力。另外，NDI基液流電池的衰減率僅為普通紫精基液流電池的1/15，并且首次實(shí)現(xiàn)了有機(jī)電解液材料的回收。這一研究工作極大拓展了液流電池陽極電解液材料的選擇范圍，為大規(guī)模儲(chǔ)能奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，具有巨大的應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
以上研究以《雙電子存儲(chǔ)的亞芳基二酰亞胺陽極電解液材料用于超穩(wěn)定的中性水系有機(jī)液流電池》（Arylene Diimide Derivatives as Anolyte Materials with Two-Electron Storage for Ultrastable Neutral Aqueous Organic Redox Flow Batteries）為題發(fā)表在中國化學(xué)會(huì)的旗艦刊物《中國化學(xué)會(huì)·化學(xué)》（CCS Chemistry）上。西安交大前沿院博士生劉旭為本論文第一作者，何剛教授為唯一通訊作者，西安交大為本文唯一通訊作者單位，西安交大李明佳教授、長(zhǎng)安大學(xué)晏妮副教授也參與了該工作。該工作是在前期五元雜環(huán)（呋喃、噻吩、硒吩）紫精基液流電池關(guān)鍵電解液材料研究后的又一重要突破（J. Mater. Chem. A 2022,10, 9830-9836,正封面;ACS Appl. Mater. Interfaces 2022,14, 48727-48733）。
該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、陜西省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等的資助。論文的表征及測(cè)試得到了西安交大分析測(cè)試共享中心的大力支持。
來源：西安交大新聞網(wǎng) 2023.1.15