西安交大在中性水系有機(jī)液流電池領(lǐng)域取得關(guān)鍵突破，助力低成本長壽命儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展
隨著全球可再生能源的快速普及，開發(fā)低成本、長壽命、高安全性的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的核心環(huán)節(jié)。中性水系有機(jī)液流電池（AORFBs）因其分子結(jié)構(gòu)可調(diào)、環(huán)境友好等特性，被視為極具潛力的儲(chǔ)能解決方案。其中，萘酰亞胺（NDI）衍生物憑借高度π-π共軛體系和雙電子存儲(chǔ)能力，成為理想的電解液材料候選。然而，該類材料在循環(huán)過程中面臨側(cè)鏈與酰亞胺環(huán)易受OH?親核攻擊分解、自由基態(tài)分子聚集導(dǎo)致粘度升高等瓶頸，制約了其實(shí)際應(yīng)用。
近日，西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院何剛教授團(tuán)隊(duì)針對上述挑戰(zhàn)，創(chuàng)新性提出離子協(xié)同修飾策略，通過常壓合成法開發(fā)出一系列高穩(wěn)定性萘二酰亞胺兩性離子衍生物，包括(CBu)?NDI、(SPr)?NDI和(SPrOH)?NDI。單晶結(jié)構(gòu)分析表明，(CBu)?NDI分子間側(cè)鏈的靜電相互作用形成了平行交錯(cuò)的π-π堆疊模式（間距3.45Å，位移角42.8°），有效抑制了自由基態(tài)下的分子聚集，同時(shí)維持了高水溶性（1.49M）。理論計(jì)算顯示，陰離子的引入顯著降低了C=O鍵的親核福井函數(shù)值（f+）和核獨(dú)立化學(xué)位移值[NICS (1)]，增強(qiáng)了材料抗OH?攻擊的穩(wěn)定性。此外，支持電解質(zhì)中K?與分子的相互作用通過單點(diǎn)能計(jì)算得以闡明，揭示了電池循環(huán)過程中的穩(wěn)定機(jī)制。
近日，西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院何剛教授團(tuán)隊(duì)針對上述挑戰(zhàn)，創(chuàng)新性提出離子協(xié)同修飾策略，通過常壓合成法開發(fā)出一系列高穩(wěn)定性萘二酰亞胺兩性離子衍生物，包括(CBu)?NDI、(SPr)?NDI和(SPrOH)?NDI。單晶結(jié)構(gòu)分析表明，(CBu)?NDI分子間側(cè)鏈的靜電相互作用形成了平行交錯(cuò)的π-π堆疊模式（間距3.45Å，位移角42.8°），有效抑制了自由基態(tài)下的分子聚集，同時(shí)維持了高水溶性（1.49M）。理論計(jì)算顯示，陰離子的引入顯著降低了C=O鍵的親核福井函數(shù)值（f+）和核獨(dú)立化學(xué)位移值[NICS (1)]，增強(qiáng)了材料抗OH?攻擊的穩(wěn)定性。此外，支持電解質(zhì)中K?與分子的相互作用通過單點(diǎn)能計(jì)算得以闡明，揭示了電池循環(huán)過程中的穩(wěn)定機(jī)制。
該研究成果顯著提升了NDI基電解液的綜合性能：所構(gòu)建的電池總電解質(zhì)成本低至$6.58?Ah?¹，在2M電子濃度下經(jīng)5070次循環(huán)后容量保持率仍達(dá)100%，突破了現(xiàn)有NDI材料循環(huán)壽命短的難題。其優(yōu)勢包括：
- 低成本與工藝友好性：常壓合成、簡單后處理，適合大規(guī)模制備；
- 高穩(wěn)定性：通過離子協(xié)同作用抑制分子分解與聚集，解決了堿性環(huán)境下的材料退化問題；
- 高效儲(chǔ)能特性：高溶解度與長循環(huán)壽命，滿足大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)性和可靠性的需求。
相關(guān)成果以《協(xié)同離子修飾策略提升萘酰亞胺兩性離子的穩(wěn)定性用于經(jīng)濟(jì)高效的中性水系有機(jī)液流電池》為題發(fā)表于國際權(quán)威期刊《國家科學(xué)評論》（National Science Review）。西安交通大學(xué)前沿院張恒博士生為第一作者，何剛教授為通訊作者，研究得到國家自然科學(xué)基金、陜西省科技創(chuàng)新專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。
此項(xiàng)突破為中性水系有機(jī)液流電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定了關(guān)鍵材料基礎(chǔ)，有望推動(dòng)可再生能源儲(chǔ)能技術(shù)向低成本、長壽命方向邁進(jìn)，為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要技術(shù)支撐。
此項(xiàng)突破為中性水系有機(jī)液流電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定了關(guān)鍵材料基礎(chǔ)，有望推動(dòng)可再生能源儲(chǔ)能技術(shù)向低成本、長壽命方向邁進(jìn)，為“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供重要技術(shù)支撐。