前沿院何刚教授课题组在中性水系有机液流电池研究领域取得重要进展
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发布时间：2025-09-30
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文章标题：前沿院何刚教授课题组在中性水系有机液流电池研究领域取得重要进展
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中性水系有机液流电池（AORFBs）因其安全可靠、经济高效、超长寿命、设计灵活等优势，被视为新能源配套储能的首选技术之一。电解液材料作为液流电池能量存储的核心组成部分，其性能对电池的整体表现具有决定性影响。尽管负极电解液材料的研究已取得显著进展，然而与之相匹配的高性能正极电解液材料仍相对匮乏，这已成为制约AORFBs规模化应用的关键瓶颈。传统氮氧自由基化合物（TEMPO）分子虽具有可逆的氧化还原特性，但其分子中的哌啶环结构易受质子诱导发生开环降解，导致分子结构破坏和电池容量迅速衰减。
针对上述问题，西安交通大学前沿院何刚教授课题组在课题组前期工作的基础上，通过N-乙酰氨基共轭桥连与末端接枝含氮杂环策略，高通量筛选了5种经脂肪族和芳香杂环改性修饰的TEMPO基正极电解质材料。借助原子偶极矩校正的赫希菲尔德电荷（ADCH）分析、福井函数理论计算及线性离子阱质谱（LTQ-XL）等表征手段，研究发现二甲基氨基吡啶功能化衍生物（DMA-TEMPO）表现出更强的共轭效应和显著增强的碱性，从而有效抑制了质子介导的开环降解反应，同时显著提升氧化还原动力学特性与分子结构稳定性。在1 M浓度下，所构建的全电池历经560次循环测试后未观察到明显容量衰减；当浓度提升至2 M时，该全电池在100次充放电循环后仍能保持高达97%的初始容量。这一研究成果为开发高稳定性、耐质子化的正极电解液材料提供了可靠的分子设计思路，并展现出重要的应用潜力。
本工作通过乙酰基共轭桥联和芳香杂环接枝策略增强分子抗酸性能力，有效抑制质子亲核进攻诱导的开环降解，为高性能AORFBs耐质子有机正极电解液设计提供新思路，为下一代有机液流电池在大规模可持续储能应用奠定了坚实的理论与材料基础。以上研究结果以论文形式发表在国际化学领域权威期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。西安交通大学前沿院硕士毕业生赵玉婕和助理教授刘旭为本论文共同第一作者，何刚教授为本论文通讯作者，西安交通大学为本论文唯一通讯作者单位。相关工作得到了西安交通大学物理学院侯高磊和李亚柯教授的指导和支持。这也是何刚教授课题组在前期萘/苝二酰亚胺基液流电池关键电解液材料研究领域中的又一重要突破（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202405427; CCS Chem. 2023, 5, 2334-2347; Natl. Sci. Rev. 2025, 12, nwaf123）。
该工作得到了国家自然科学基金，西安交通大学自主创新能力提升项目，中央高校基本科研经费及分析测试共享中心等的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202512613