液流电池今日Science

第一作者：Ruozhu Feng

通讯作者：Wei Wang、Xin Zhang

通讯单位：西北太平洋国家实验室

水系氧化还原流电池具备高功率、可扩展性和高安全的特点，可为可再生能源提供规模化电网储能。该电池采用氧化还原活性有机分子作为储能材料，但目前只有极少数有机分子，如紫精和蒽醌表现出良好的储能性能。继续努力开发其他有机分子对于高能和高稳定水系液流电池仍十分迫切。

为此，西北太平洋国家实验室的Wei Wang和Xin Zhang等人在Science报道了一类9-芴酮( 9-fluorenone, FL )分子作为水系有机氧化还原液流电池的负极电解质。FL不仅表现出优异的储能性能，而且还表现出前所未有的双电子储能机制。犹他州立大学的Bo Hu和T. Leo Liu同步在Science发文进行了评述。

在此工作中，作者采用的策略是在FL的芳环中引入吸电子基团( EWGs )，如磺酸盐和羧酸盐基团，提高其还原产物FL-OH的酸离解常数K_a。本设计旨在通过避免这些阴离子发生不可逆质子化，并允许在水中可利用的电位窗口内发生氧化还原反应，以稳定荷电的FL物种（如FL^·-自由基阴离子和FL^{2 -}二价阴离子）用于电池循环。他们对一系列FL-OH衍生物的密度泛函理论计算也表明，EWGs有效地增加了O-H和苄基C-H质子的K_a。用EWGs功能化FL后，在碱性溶液中，FL在~-0.7 V处相对于普通氢电极的第一个电子可逆性明显提高。尽管如此，如循环伏安结果显示，在~-1.13 V处的第二个电子氧化还原仍然是不可逆的，但可用于储能。

作者选用2-羧酸-7 -磺酸盐芴酮( 4C7SFL )，以1.36 M 4C7SFL的NaOH溶液作为负极电解质，K₄Fe(CN)₆ / K₃Fe(CN)₆混合物作为正极电解质构建了液流电池。在室温下，在60 mA cm^-2电流密度下的能量效率为78.8 %；在20 mA cm^-2电流密度下循环4个月以上，容量衰减仅为2.62 %，相当于每天容量只衰减0.02 %。值得注意的是，4C7SFL表现出了双电子存储能力(相当于每1.0 mol 4C7SFL 1.8 mol电子)。

作者的工作扩大了有机稳定负极的选择范围，并为开发耐久电解质材料提供了合理的分子工程范例。然而，由于铁氰化物和铁氰化物在碱性溶液中长期不稳定，在液流电池测试中需要过量的K₄Fe(CN)₆ / K₃Fe(CN)₆阴极电解质，因此迫切需要开发与芴酮、紫精和蒽醌分子稳定性和容量相当的正极电解质分子，以充分发挥水系有机氧化还原液流电池的储能潜力。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/372/6544/788

https://science.sciencemag.org/content/372/6544/836