科學(xué)家開發(fā)出新型水系有機液流電池

李勝海研究員在水系有機液流電池研究方面取得新進(jìn)展。合作團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?；诖耍瑘F隊實現(xiàn)千克級分子制備，并成功將其應(yīng)用于電堆測試。相關(guān)成果發(fā)表在《自然-可持續(xù)》上。

基于空氣穩(wěn)定萘型衍生物的水系有機液流電池。大連化物所供圖

液流電池有機活性分子的穩(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)。

工作中，為合成低成本、高穩(wěn)定性的有機活性分子，李先鋒和張長昆團隊以大宗性化學(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，有助于將水系有機液流電池規(guī)?；蛯嵱没?/span>