科學(xué)家開發(fā)出基于空氣穩(wěn)定萘型衍生物的水系有機(jī)液流電池
近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所儲(chǔ)能技術(shù)研究部研究員李先鋒、張長(zhǎng)昆團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所研究員李勝海，在水系有機(jī)液流電池研究方面取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)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。研究發(fā)現(xiàn)，萘衍生物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。同時(shí)，在正極電解液連續(xù)鼓入空氣的條件下，該電池能夠穩(wěn)定循環(huán)600圈（超過(guò)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?，該研究實(shí)現(xiàn)了千克級(jí)分子制備，并將其應(yīng)用于電堆測(cè)試。
液流電池有機(jī)活性分子的穩(wěn)定性和成本是重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前，有機(jī)活性分子面臨水溶性相對(duì)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(jī)活性分子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電池的循環(huán)穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)。
為合成低成本、高穩(wěn)定性的有機(jī)活性分子，李先鋒和張長(zhǎng)昆團(tuán)隊(duì)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，發(fā)展出多取代基修飾的萘醌活性分子。該方法簡(jiǎn)單高效，無(wú)需復(fù)雜的分離純化過(guò)程，簡(jiǎn)化了合成步驟，并降低了成本。此外，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(jī)理。結(jié)果表明，在電化學(xué)氧化階段，萘衍生物羥基對(duì)位側(cè)的芐胺官能團(tuán)離去，并與水反應(yīng)氧化生成萘醌，進(jìn)而與水加成生成多取代的萘醌活性分子。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二甲胺官能團(tuán)提高了萘醌分子的溶解性的同時(shí)對(duì)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。進(jìn)一步，研究采用一體化裝置將萘活性分子的合成過(guò)程進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)了單次可制備5千克萘衍生物分子，并進(jìn)行了電堆穩(wěn)定性測(cè)試。
上述成果有望為低成本、高穩(wěn)定液流電池活性分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及合成方法優(yōu)化提供新思路，有助于實(shí)現(xiàn)水系有機(jī)液流電池規(guī)?；蛯?shí)用化應(yīng)用。
相關(guān)研究成果以Air-stable naphthalene derivative-based electrolytes for sustainable aqueous flow batteries為題，發(fā)表在《自然-可持續(xù)發(fā)展》（Nature Sustainability）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）等的支持。
