近日，大連化物所儲能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員、張長昆研究員團隊聯(lián)合長春應(yīng)化所李勝海研究員在水系有機液流電池研究方面取得新進展。合作團隊提出了原位電化學(xué)氧化合成方法，制備出耐氧性的萘衍生物，其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。研究發(fā)現(xiàn)，在正極電解液連續(xù)鼓入空氣的條件下，該電池仍能夠穩(wěn)定循環(huán)600圈（超過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。基于此，團隊實現(xiàn)千克級分子制備，并成功將其應(yīng)用于電堆測試。

液流電池有機活性分子的穩(wěn)定性和成本是重要評價標(biāo)準(zhǔn)。目前，有機活性分子面臨水溶性相對較低、穩(wěn)定性差、合成成本高等問題。尤其在非惰性氣體保護下，有機活性分子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電池的循環(huán)穩(wěn)定性受到巨大的挑戰(zhàn)。

本工作中，為合成低成本、高穩(wěn)定性的有機活性分子，李先鋒和張長昆團隊以大宗性化學(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，制備出多取代基修飾的萘醌活性分子。該方法簡單高效，無需復(fù)雜的分離純化過程，簡化了合成步驟的同時降低了成本。此外，團隊通過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)機理。結(jié)果表明，在電化學(xué)氧化階段，萘衍生物羥基對位側(cè)的芐胺官能團離去，并與水反應(yīng)氧化生成萘醌，進一步與水加成生成多取代的萘醌活性分子。理論計算和實驗結(jié)果表明，二甲胺官能團提高了萘醌分子的溶解性的同時對分子活性中心起到保護作用，從而提升了高濃度電解液的穩(wěn)定性。研究團隊進一步采用一體化裝置將萘活性分子的合成過程進行放大，單次可制備5千克萘衍生物分子，并進行了電堆穩(wěn)定性測試。

該研究有望為低成本、高穩(wěn)定液流電池活性分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計及合成方法優(yōu)化提供新思路，有助于將水系有機液流電池規(guī)模化和實用化。

上述成果以“Air-stable naphthalene derivative-based electrolytes for sustainable aqueous flow batteries”為題，于近日發(fā)表在《自然-可持續(xù)》（Nature Sustainability）上。該成果的共同第一作者為大連化物所DNL17聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生趙子銘（已畢業(yè)）和李天宇副研究員。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、遼寧濱海實驗室和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性A類先導(dǎo)專項“基于高比例可再生能源的儲能關(guān)鍵技術(shù)與示范”等項目的支持。（文/圖 趙子銘、張長昆）