近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員李先鋒與研究員張長昆團(tuán)隊在水系有機(jī)液流電池研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)隊設(shè)計開發(fā)了一種不對稱的芘類多電子轉(zhuǎn)移活性分子材料，具有較高的電子濃度和穩(wěn)定的中間半醌自由基，應(yīng)用該材料的電池展現(xiàn)出較好的耐高溫?zé)岱€(wěn)定性。相關(guān)成果發(fā)表在《美國化學(xué)會志》上。

芘類多電子轉(zhuǎn)移活性分子材料示意圖。大連化物所供圖

水系有機(jī)液流電池因其資源豐富、可調(diào)性強、本征安全等性質(zhì)，具有廣泛的應(yīng)用前景，是實現(xiàn)清潔能源高效利用的重要途徑之一。然而，其大規(guī)模應(yīng)用仍面臨能量密度低、成本高，以及高濃度下電池性能急劇下降等挑戰(zhàn)。研究發(fā)現(xiàn)，增加有機(jī)活性分子單體的電子轉(zhuǎn)移數(shù)可以成倍提升能量密度并降低電解液成本。然而，上述轉(zhuǎn)移往往面臨穩(wěn)定性與溶解性的“Trade-off”效應(yīng)。并且，拓展共軛結(jié)構(gòu)可通過電子離域穩(wěn)定中間自由基，但引入的非電化學(xué)活性單元往往會降低分子極性并增加分子量，從而降低其在水系電解液中的溶解性。

具有拓展共軛結(jié)構(gòu)的芘四酮母核可以通過烯醇化互變異構(gòu)，實現(xiàn)可逆四電子轉(zhuǎn)移。本工作通過在母核中引入單個磺酸基團(tuán)降低分子平面性，增強單體的區(qū)域電荷密度分布及其與水分子間的氫鍵相互作用，從而提升了電解液的溶解性。同時，該分子通過共軛結(jié)構(gòu)的有效離域及其在水溶液中有序的π-π堆積，穩(wěn)定了中間半醌自由基，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

該研究為開發(fā)高能量密度和穩(wěn)定性的水系有機(jī)液流電池活性分子提供了新思路。