高功率中性水系液流电池体系

随着风能、太阳能等可再生能源和智能电网产业的迅速发展，储能技术成为近年来研究的焦点。液流电池（RFBs）作为最具前景的大规模储能技术之一，具有安全、寿命长、灵活性高等特点。然而，在大多数报道的液流电池体系中，电压低、循环性差、活性物质穿膜，以及酸/碱性电解质的腐蚀性等各类问题阻碍了其规模化应用。

另一方面，有机活性分子的组成元素（C, H, O, N等）丰度高，且其物化性质可以通过分子工程来调控，因此成为了近年来异军突起的新一代液流电池活性材料。然而目前绝大多数报道的氧化还原有机分子都带正电荷，只能使用离子电导性较差阴离子交换膜(AEM)，因此相关电池的功率性能往往不尽人意。

【工作介绍】

近日，新加坡国立大学王庆课题组设计并合成了一对带负电荷的氧化还原有机分子作为活性物质，构筑了一个近中性的水系液流电池体系来解决上述难题。其负极活性物质是磷酸基团修饰的共轭紫精分子（简写为(PPBPy)Br₂），正极则采用了磺化烷基链修饰的四甲基哌啶分子衍生物PSS-TEMPO。该(PPBPy)Br₂/PSS-TEMPO液流电池体系具备高达1.61V的电压平台，并在中性条件下实现了目前报道的最高功率性能。该文章发表在Angewandte Chemie上，博士生高孟奇为本文第一作者。

【内容表述】

Figure 1. 文中分子合成路径。

在此工作中，负极活性物质(PPBPy)Br₂的氧化还原电位是-0.801 V （vs. SHE）, 正极活性物质PSS-TEMPO的电位为0.805 V，为全电池提供了超过1.6V的电压平台。同时，(PPBPy)Br₂和PSS-TEMPO分子均拥有极高的扩散常数（D >10^-6 cm²/s）和电子转移速率（k₀ > 10^-3 cm/s）。此外，在单电池测试中，负极活性物质(PPBPy)Br₂在NaCl溶液中展现出了极好的稳定性，在1000次循环测试后没有明显容量衰减。正极分子PSS-TEMPO的容量衰减率低则至0.012%/循环。

Figure 2. (PPBPy)Br₂/PSS-TEMPO电池结构与两种分子的循环伏安曲线。

得益于(PPBPy)Br₂和PSS-TEMPO分子均带负电且有较大的分子尺寸，通过测试，作者发现两者在阳离子膜中的渗透率极低。因此，该电池体系可使用电阻更小的阳离子交换膜以实现更优异的性能。在全电池测试中，(PPBPy)Br₂/PSS-TEMPO电池展现了出色的循环稳定性和倍率性能，以及极高的库伦效率和能量效率。同时，在150 mA/cm²的电流密度下，该电池仍有1.25-1.30 V的放电平台，可以与酸性环境下的钒液流电池相媲美。另外，在功率性能测试中，该电池体系在100% SOC状态下实现了509 mW/cm²的峰值功率密度。

Figure 3. (PPBPy)Br₂/PSS-TEMPO电池循环测试与功率性能。

【结论】

综上所述，本文报道了一对由阴离子有机活性分子构筑的水系液流电池体系，以一对匠心设计的紫精和TEMPO衍生物为氧化还原活性物质，其与常用的阳离子交换膜有很好的兼容性和极低的跨膜渗透性。同时，全电池表现出了高放电平台、良好的循环稳定性和优越的功率密度。该工作中所采用的分子工程策略极大地提高了中性水系液流电池的综合性能，同时为开发低成本、高功率大规模液流电池储能体系提供了一种新思路。

Mengqi Gao, Manohar Salla, Yuxi Song, Qing Wang, High-power Near-neutral Aqueous All Organic Redox Flow Battery Enabled with a Pair of Anionic Redox Species, Angewandte Chemie International Edition.

https://doi.org/10.1002/anie.202208223

作者简介

王庆，新加坡国立大学材料科学与工程系副教授，长期从事电化学和光电化学系统中介观电荷转移、传输的基础研究，及其在新型能量转换器件和储能装置中的应用研究。提出并发展了基于氧化还原靶向反应的新型高能量密度液流电池和能量转换过程。

课题组网站：

https://blog.nus.edu.sg/wangqing/