基于活性分子穩定化機制開發出千瓦級有機液流電池電堆

　　近日，我所儲能技術研究部（DNL17）李先鋒研究員和張長昆研究員團隊在水系有機液流電池研究方面取得新進展。團隊通過電化學—原位/離位核磁共振和電子自旋共振方法，揭示了電池實際工況中對亞甲基藍（Methylene Blue，MB）分子的穩定化機理。研究發現，中間態自由基和還原態的穩定性對MB分子氧化還原反應可逆性和空氣耐久性起到了至關重要的作用。團隊并基于此類分子，開發出千瓦級的水系有機液流電池電堆，為水系有機液流電池的實用化提供了重要參考。

　　液流電池（FBs）具有安全性高和效率高等優勢，在大規模儲能領域受到了廣泛關注。水系有機液流電池因其活性電對為通過有機合成或從自然界中提取的有機小分子，具有結構可調性強、環境友好等優勢，受到越來越多研究人員的關注。但是，目前絕大多數有機分子在空氣中易被氧化，進而造成容量的不可逆衰減。因此，開發空氣穩定的高性能有機活性分子材料對有機液流電池的研究具有重要的意義。

　　本工作中，團隊通過研究電解液中的不同組分間的相互作用，實現了電解液組分優化，大幅度提高了電池容量。團隊通過電化學—原位核磁共振技術發現，MB分子在電池運行時會發生歸中反應生成自由基態；電子自旋共振技術和理論計算結果表明，自由基態和還原態在空氣中的穩定是該分子電化學反應高度可逆和結構穩定的重要原因。為了進一步驗證MB分子在有機液流電池中應用的可行性，團隊組裝了10節1000cm²的有機液流電池電堆，電堆的瞬時放電功率超過了1kW，并連續運行32天，容量幾乎沒有衰減。此外，團隊還對MB電解液在高溫70℃進行了加速壽命衰減測試，并分析了其可能的衰減機理。該項研究不僅闡釋了有機活性分子的耐氧化機理，為分子的設計提供重要參考；而且開發的千瓦級電堆有望為水系有機液流電池從實驗室走向實用化提供良好的借鑒。

　　相關成果以“Insight into Air-stable Methylene Blue Catholyte towards kW-scale Practical Aqueous Organic Flow Batteries”為題，于近日發表在《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）上。該工作的第一作者是我所DNL17聯合培養研究生張永輝，上述工作得到國家自然科學基金、中科院國際合作項目、國家重點研發計劃等項目的支持。（文/圖 張長昆、張永輝）

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D2EE03051A