“簡版”的水系液流電池系統(tǒng) 西湖大學(xué)供圖

近日，西湖大學(xué)理學(xué)院王盼課題組及其合作團隊發(fā)展了新型仿生設(shè)計水溶性吩嗪類化合物，賦予水系有機液流電池體系優(yōu)異的穩(wěn)定性(即極低的電池容量衰減)。該研究提供了一種新型高穩(wěn)定性水系有機分子結(jié)構(gòu)骨架設(shè)計策略，為進一步設(shè)計構(gòu)建高性能水系液流電池提供了重要理論依據(jù)。這一成果作為封面文章發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》。

使用水作為介質(zhì)的水系有機液流電池，是具有較高安全性的儲能系統(tǒng)。在水系液流電池領(lǐng)域，一系列基于蒽醌、紫羅堿、二茂鐵、氮雜芳環(huán)等有機結(jié)構(gòu)骨架的分子，已展現(xiàn)了較為良好的性能和應(yīng)用前景。然而，目前絕大部分研究工作都是基于商業(yè)可得的已知功能染料分子;基于吩嗪類有機結(jié)構(gòu)骨架的衍生物，在前序報道僅有幾個例子，均存在水溶性差和會發(fā)生化學(xué)分解(即不穩(wěn)定)等問題，且該類化合物衰減機理尚不明確。

為改進現(xiàn)狀，西湖大學(xué)研究人員將目光投向了自然界來源廣泛的氨基酸。研究人員創(chuàng)新地使用氨基酸作為功能化基團(即官能團)，引入到吩嗪骨架，通過簡單的一步偶聯(lián)反應(yīng)，利用氨基酸的水溶性特點及給電子特性，合成了一系列不同位置不同取代基功能化、具有雙電子轉(zhuǎn)移中心的水溶性吩嗪類衍生物(AFP)。

氨基酸的給電子特性，降低了電池氧化還原的電勢，拓寬液流電池的工作電壓范圍。而氨基酸的天然水溶性特點，進一步提高了液流電池的能量密度。

課題組系統(tǒng)地探究了吩嗪衍生物“AFP家族”的不同“成員”(即不同支鏈及不同位置的氨基酸)，對水系液流電池性能的影響。結(jié)合核磁、高分辨質(zhì)譜、CV測試等分析手段，他們考察了該類化合物在氧化/還原狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

研究表明，該液流電池具有極低的容量衰減(0.000002%每圈，0.0015%每天)，在長時間充放電的狀態(tài)下，僅表現(xiàn)出每年0.5%的衰減——這是目前所有報道中，有機液流電池低衰減的新紀(jì)錄，在水系儲能系統(tǒng)中具有較大應(yīng)用價值。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1002/anie.202016889