西安交大：高穩定性雙電子存儲的中性水系有機液流電池

　　“十四五”是碳達峰的關鍵窗口期，以風電、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重要的作用。然而，風光等新能源發電存在間歇性、波動性、隨機性等問題，給新能源電力并網帶來巨大挑戰。很明顯，要實現以風、光為代表的新能源的高效利用，發展大規模儲能技術勢在必行。中性水系有機液流電池（AORFBs）因其能量與功率之間相互解耦、高安全、綠色環保和低成本等優點，在眾多大規模存儲技術中脫穎而出，有望成為未來規模化能源存儲的首選方案。

　　有機電解液作為中性水系有機液流最為重要的組成部分，直接決定著電池的性能。目前應用最為廣泛的紫精基電解液材料多以單電子存儲機制為主，而其雙電子存儲穩定性欠佳，300次循環容量保持率低于90%。從機制上講，這都源于在電子轉移過程中，高度還原態吡啶環由芳香性變為反芳香性，導致電解液穩定性下降。相比于紫精衍生物，二酰亞胺衍生物具有優異的平面共軛剛性結構，在多個氧化還原狀態均保持高度穩定性。同時，由于強π-π共軛和弱p-π共軛，進一步促進了其氧化還原活性和穩定性。因此，發展基于二酰亞胺新型有機電解液將會解決雙電子存儲電解液的穩定性問題，進一步提升中性水系有機液流電池的性能。

　　針對上述問題，西安交大前沿院何剛教授團隊采用共軛擴展和水溶性修飾等手段，成功制備了一系列大共軛結構的二酰亞胺衍生物（NDI、PDI和TPDI），并將其作為有機負極電解液制備了高穩定性、雙電子存儲的中性水系有機液流電池。DFT計算結果表明，在高度還原態，二酰亞胺衍生物的芳香性進一步增強，這也是所發展的有機液流電池具有雙電子存儲高穩定性的內在原因。較之先前研究，基于二酰亞胺衍生物的中性水系有機液流電池表現出迄今為止最為穩定的雙電子存儲能力。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，并且首次實現了有機電解液材料的回收。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，為大規模儲能奠定了堅實的理論基礎，具有巨大的應用前景和社會經濟價值。

　　以上研究以《雙電子存儲的亞芳基二酰亞胺陽極電解液材料用于超穩定的中性水系有機液流電池》（Arylene Diimide Derivatives as Anolyte Materials with Two-Electron Storage for Ultrastable Neutral Aqueous Organic Redox Flow Batteries）為題發表在中國化學會的旗艦刊物《中國化學會·化學》（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、長安大學晏妮副教授也參與了該工作。該工作是在前期五元雜環（呋喃、噻吩、硒吩）紫精基液流電池關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）。

　　該項研究工作得到了國家自然科學基金、科技部重點研發項目、陜西省重點研發項目等的資助。論文的表征及測試得到了西安交大分析測試共享中心的大力支持。

　　論文鏈接：

　　https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.022.202202336

　　何剛教授課題組主頁：http://gr.xjtu.edu.cn/web/ganghe