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

近日，西湖大學王盼課題組在團隊前期工作的基礎上(Angew. Chem. Int. Ed.?2021,?60, 5289-5298?)，通過對化學反應機理進行深入研究，發(fā)展了一類丙酸取代的新型水溶性吩嗪衍生物（PFP）應用于水系有機液流電池體系。該儲能體系在室溫和高溫環(huán)境中展現出了高濃度下零衰減的循環(huán)穩(wěn)定性，成功實現了水系有機液流電池在高溫環(huán)境下穩(wěn)定的長時充放電循環(huán)，顯示出其在太陽能豐富的高溫地區(qū)極大的實際應用潛力。該文章發(fā)表在能源類頂級期刊Joule上。西湖大學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化合物分子結構，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重要組成部分，儲能活性材料的物理化學及電化學性質決定了整體電池的性能參數。首先，王盼團隊探究了三種不同取代位點的丙酸對于該活性材料性能的影響，揭示了分子結構與材料性能的構效關系。同時結合核磁，高分辨質譜、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)，該系列化合物在強堿性溶液中具有極好的熱穩(wěn)定和化學穩(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，研究團隊開展了0.1 M PFPs在pH12及pH14條件下長循環(huán)全電池測試。研究結果顯示，基于PFPs活性材料的水系有機液流電池在充放電循環(huán)過程中均表現優(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，為其進一步高濃度測試提供了基礎。隨后王盼團隊繼續(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53天的高溫循環(huán)測試中，該液流電池展現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，研究團隊結合DFT理論計算探究了不同位點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，計算結果表明，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，這些結果也為進一步設計構建高性能水系液流電池提供了重要理論依據。

圖4.基于烷基羧酸的吩嗪類衍生物DFT計算

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液流電池體系下展現出了極高的長時循環(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液流電池儲能材料應用于極端環(huán)境，如高溫及強堿性環(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，2015年于中國科學院上海有機化學研究所獲得博士學位。2016年1月至2019年10月，在麻省理工學院MIT進行博士后研究。2019年11月加入西湖大學理學院開展獨立工作，從事有機功能材料的合成及應用研究。

王盼課題組致力于在有機合成化學、能源化學和材料化學交叉領域開展工作，致力于設計和發(fā)展新材料，從分子水平對有機材料進行結構修飾及物化性能調控。（1）針對多功能化的、手性發(fā)光性能的、具有磁-光等刺激響應的有機功能材料展開基礎研究及應用開發(fā)。（2）發(fā)展具有氧化還原活性的新型儲能材料，研究其在電化學反應及儲能設備中的應用。課題組有多個博士后位置和博士招生名額，歡迎具有有機合成背景、光電器件及能源材料背景的科研人員加入！

課題組網站：https://panwanglab.westlake.edu.cn/

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