西安交大前沿院在中性水系有机液流电池研究中取得突破
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发布时间：2025-04-22
发布时间：2025-04-22
文章标题：西安交大前沿院在中性水系有机液流电池研究中取得突破
内容：
Synergistic ionic modification strategy enhances the stability of naphthalene diimide zwitterions for cost-effective aqueous organic redox flow batteries
全文速览：
研究团队开发了一种协同离子改性策略，显著提升了萘二酰亚胺（NDI）两性离子衍生物在中性水系有机液流电池（AORFBs）中的稳定性和循环性能。合成了一类两性离子型NDI衍生物[(CBu)2NDI,(SPr)2NDI,(SPrOH)2NDI]，其侧链中的静电排斥作用精准调控了分子间的平行交错π-π堆叠模式（间距3.45 Å，位移角42.8°），有效抑制了高活性自由基态下的分子聚集和碱性环境中的侧链分解。结合K⁺静电吸引稳定分子构型，该策略使(CBu)₂NDI的水溶性高达1.49 M，与K₄Fe(CN)₆配对构建的AORFB在0.1 M浓度下循环5070次后容量保持率100%，2 M电子浓度下循环220次无衰减，总电解质成本低至$6.58·Ah⁻¹，为大规模储能提供了高性价比解决方案。
背景介绍：
随着可再生能源的快速发展，开发低成本、长寿命、高安全的大规模储能技术成为实现碳中和的关键。中性水系有机液流电池（AORFBs）因分子结构可调、环境友好等优势备受关注，但其性能受限于电解质的分解抗性和循环稳定性。萘二酰亚胺（NDI）衍生物凭借其稳定的π-π共轭体系和双电子存储特性成为理想候选材料，然而高pH下侧链和酰亚胺环易受OH⁻亲核攻击导致分解，且自由基态分子聚集引发粘度激增，严重制约实际应用。现有NDI材料虽通过羧酸基团或氢键调控提升了溶解度，但仍面临成本高、碱性稳定性不足等挑战。因此，开发兼具高稳定性、低成本的NDI电解质是推动AORFBs商业化的核心课题。
图1.a 分子的设计合成路线，b-c (CBu)2NDI间的π-π相互作用，d 基于1.0 M (2 M e-) (CBu)2NDI/K4Fe(CN)6组成的中性水系有机液流电池的电化学循环测试，e 典型双电子体系电解液总成本分析
文章亮点：
基于以上背景，西安交通大学何刚课题组创新性的提出了一种离子协同策略，用常压法合成了一类具有高稳定性的萘酰亚胺两性离子衍生物[(CBu)2NDI,(SPr)2NDI,(SPrOH)2NDI]。单晶结构显示，分子的静电相互作用力致使(CBu)2NDI形成平行交错的π-π堆叠模式，在温和的π-π相互作用和氢键的共同作用下，(CBu)2NDI在任何状态下均能够保持较高的水溶性。文章还揭示了阴离子的引入对维持分子电位、溶解性、芳香稳定性和抗分解能力的关键作用。此外，单点能的计算阐明了支持电解质中K+在电池循环过程中的稳定机制。基于此成功开发出一种经济高效的中性水系有机液流电池，该电池在2 M的电子浓度下展现出卓越的循环稳定性。这些发现促进了高性能中性水系有机液流电池的发展，并展示了其大规模商业应用的潜力。