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在推動(dòng)能源領(lǐng)域碳達(dá)峰碳中和過程中，儲(chǔ)能技術(shù)成了發(fā)展清潔能源的關(guān)鍵所在，也是支撐新型電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。水系液流電池是一種安全、可適用于大規(guī)模場景的儲(chǔ)能技術(shù)，它使用水作為介質(zhì)，避免使用易燃的有機(jī)溶劑作為電解液，極大提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性，且具有能量轉(zhuǎn)換效率高、功率密度高和循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可有效解決風(fēng)能、太陽能的間歇性、波動(dòng)性等問題。水系有機(jī)液流電池，使用水溶性的有機(jī)化合物作為儲(chǔ)能材料，在分子結(jié)構(gòu)上可編輯可調(diào)節(jié)，能夠通過有機(jī)官能團(tuán)得失電子的氧化還原行為，完成化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化，是液流電池發(fā)展的新趨勢。

近日，西湖大學(xué)王盼課題組在團(tuán)隊(duì)前期工作的基礎(chǔ)上(Angew. Chem. Int. Ed.?2021,?60, 5289-5298?)，通過對化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行深入研究，發(fā)展了一類丙酸取代的新型水溶性吩嗪衍生物（PFP）應(yīng)用于水系有機(jī)液流電池體系。該儲(chǔ)能體系在室溫和高溫環(huán)境中展現(xiàn)出了高濃度下零衰減的循環(huán)穩(wěn)定性，成功實(shí)現(xiàn)了水系有機(jī)液流電池在高溫環(huán)境下穩(wěn)定的長時(shí)充放電循環(huán)，顯示出其在太陽能豐富的高溫地區(qū)極大的實(shí)際應(yīng)用潛力。該文章發(fā)表在能源類頂級期刊Joule上。西湖大學(xué)博士后徐健聰和博士生龐帥為本文共同第一作者。

Joule.2021,?DOI: 10.1016/j.joule.2021.06.019

圖1. PFPs化合物分子結(jié)構(gòu)，循環(huán)伏安測試及高溫液流電池概念示意圖

作為液流電池中的一個(gè)重要組成部分，儲(chǔ)能活性材料的物理化學(xué)及電化學(xué)性質(zhì)決定了整體電池的性能參數(shù)。首先，王盼團(tuán)隊(duì)探究了三種不同取代位點(diǎn)的丙酸對于該活性材料性能的影響，揭示了分子結(jié)構(gòu)與材料性能的構(gòu)效關(guān)系。同時(shí)結(jié)合核磁，高分辨質(zhì)譜、循環(huán)伏安法測試等分析手段研究該類化合物在氧化/還原狀態(tài)下的常溫及高溫化學(xué)穩(wěn)定性。研究表明，三種PFP材料均具有穩(wěn)定的氧化態(tài)/還原態(tài)，該系列化合物在強(qiáng)堿性溶液中具有極好的熱穩(wěn)定和化學(xué)穩(wěn)定性。

圖2. 1,8-PFP化合物RDE測試及氧化/還原態(tài)高溫穩(wěn)定性測試

接下來，研究團(tuán)隊(duì)開展了0.1 M PFPs在pH12及pH14條件下長循環(huán)全電池測試。研究結(jié)果顯示，基于PFPs活性材料的水系有機(jī)液流電池在充放電循環(huán)過程中均表現(xiàn)優(yōu)異。其中1,8-PFP電池在常溫和高溫環(huán)境中長循環(huán)測試表現(xiàn)出零衰減，并且該化合物在1 M KOH 45℃下具有2 M的溶解度，為其進(jìn)一步高濃度測試提供了基礎(chǔ)。隨后王盼團(tuán)隊(duì)繼續(xù)研究了1,8-PFP在pH14，2 M電子濃度下的室溫及高溫長循環(huán)電池測試。在長達(dá)53天的高溫循環(huán)測試中，該液流電池展現(xiàn)了極高的容量利用率（98.7%）和電池容量零衰減的循環(huán)穩(wěn)定性。

圖3. 1.0 M 1,8-PFP（pH 14）(a)常溫(b)高溫電池循環(huán)測試

最后，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合DFT理論計(jì)算探究了不同位點(diǎn)及烷基羧酸取代的吩嗪類衍生物的氧化還原電位以及溶解度性能，計(jì)算結(jié)果表明，在此類化合物中1,2-EFP及1,4-EFP有著更低的氧化還原電位和更高的溶解度，這些結(jié)果也為進(jìn)一步設(shè)計(jì)構(gòu)建高性能水系液流電池提供了重要理論依據(jù)。

圖4.基于烷基羧酸的吩嗪類衍生物DFT計(jì)算

綜上所述，研究人員發(fā)展的丙酸取代的新型水溶性吩嗪衍生物（PFP），在常溫及高溫水系有機(jī)液流電池體系下展現(xiàn)出了極高的長時(shí)循環(huán)穩(wěn)定性及容量保持率，表明了PFP系列化合物作為水系有機(jī)液流電池儲(chǔ)能材料應(yīng)用于極端環(huán)境，如高溫及強(qiáng)堿性環(huán)境條件下具有極大潛力。

課題組介紹：

王盼博士2010年畢業(yè)于中南大學(xué)，2015年于中國科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所獲得博士學(xué)位。2016年1月至2019年10月，在麻省理工學(xué)院MIT進(jìn)行博士后研究。2019年11月加入西湖大學(xué)理學(xué)院開展獨(dú)立工作，從事有機(jī)功能材料的合成及應(yīng)用研究。

王盼課題組致力于在有機(jī)合成化學(xué)、能源化學(xué)和材料化學(xué)交叉領(lǐng)域開展工作，致力于設(shè)計(jì)和發(fā)展新材料，從分子水平對有機(jī)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾及物化性能調(diào)控。（1）針對多功能化的、手性發(fā)光性能的、具有磁-光等刺激響應(yīng)的有機(jī)功能材料展開基礎(chǔ)研究及應(yīng)用開發(fā)。（2）發(fā)展具有氧化還原活性的新型儲(chǔ)能材料，研究其在電化學(xué)反應(yīng)及儲(chǔ)能設(shè)備中的應(yīng)用。課題組有多個(gè)博士后位置和博士招生名額，歡迎具有有機(jī)合成背景、光電器件及能源材料背景的科研人員加入！

課題組網(wǎng)站：https://panwanglab.westlake.edu.cn/

參考資料：https://www.westlake.edu.cn/academics/School_of_Science/news/202109/t20210903_12229.shtml