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西湖大学王盼课题组Joule:高温零衰减水系有机液流电池
学术研究
王盼课题组 2021年09月03日
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公共事务部

在推动能源领域碳达峰碳中和过程中,储能技术成了发展清洁能源的关键所在,也是支撑新型电力系统的重要基础。水系液流电池是一种安全、可适用于大规模场景的储能技术,它使用水作为介质,避免使用易燃的有机溶剂作为电解液,极大提高了储能系统的安全性,且具有能量转换效率高、功率密度高和循环寿命长等优点,可有效解决风能、太阳能的间歇性、波动性等问题。水系有机液流电池,使用水溶性的有机化合物作为储能材料,在分子结构上可编辑可调节,能够通过有机官能团得失电子的氧化还原行为,完成化学能与电能的相互转化,是液流电池发展的新趋势。

近日,西湖大学王盼课题组在团队前期工作的基础上(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 5289-5298 ),通过对化学反应机理进行深入研究,发展了一类丙酸取代的新型水溶性吩嗪衍生物(PFP)应用于水系有机液流电池体系。该储能体系在室温和高温环境中展现出了高浓度下零衰减的循环稳定性,成功实现了水系有机液流电池在高温环境下稳定的长时充放电循环,显示出其在太阳能丰富的高温地区极大的实际应用潜力。该文章发表在能源类顶级期刊Joule上。西湖大学博士后徐健聪和博士生庞帅为本文共同第一作者。

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


图1. PFPs化合物分子结构,循环伏安测试及高温液流电池概念示意图


作为液流电池中的一个重要组成部分,储能活性材料的物理化学及电化学性质决定了整体电池的性能参数。首先,王盼团队探究了三种不同取代位点的丙酸对于该活性材料性能的影响,揭示了分子结构与材料性能的构效关系。同时结合核磁,高分辨质谱、循环伏安法测试等分析手段研究该类化合物在氧化/还原状态下的常温及高温化学稳定性。研究表明,三种PFP材料均具有稳定的氧化态/还原态,该系列化合物在强碱性溶液中具有极好的热稳定和化学稳定性。


图2. 1,8-PFP化合物RDE测试及氧化/还原态高温稳定性测试


接下来,研究团队开展了0.1 M PFPs在pH12及pH14条件下长循环全电池测试。研究结果显示,基于PFPs活性材料的水系有机液流电池在充放电循环过程中均表现优异。其中1,8-PFP电池在常温和高温环境中长循环测试表现出零衰减,并且该化合物在1 M KOH 45℃下具有2 M的溶解度,为其进一步高浓度测试提供了基础。随后王盼团队继续研究了1,8-PFP在pH14,2 M电子浓度下的室温及高温长循环电池测试。在长达53天的高温循环测试中,该液流电池展现了极高的容量利用率(98.7%)和电池容量零衰减的循环稳定性。


图3. 1.0 M 1,8-PFP(pH 14)(a)常温(b)高温电池循环测试


最后,研究团队结合DFT理论计算探究了不同位点及烷基羧酸取代的吩嗪类衍生物的氧化还原电位以及溶解度性能,计算结果表明,在此类化合物中1,2-EFP及1,4-EFP有着更低的氧化还原电位和更高的溶解度,这些结果也为进一步设计构建高性能水系液流电池提供了重要理论依据。


图4.基于烷基羧酸的吩嗪类衍生物DFT计算


综上所述,研究人员发展的丙酸取代的新型水溶性吩嗪衍生物(PFP),在常温及高温水系有机液流电池体系下展现出了极高的长时循环稳定性及容量保持率,表明了PFP系列化合物作为水系有机液流电池储能材料应用于极端环境,如高温及强碱性环境条件下具有极大潜力。


课题组介绍:

王盼博士2010年毕业于中南大学,2015年于中国科学院上海有机化学研究所获得博士学位。2016年1月至2019年10月,在麻省理工学院MIT进行博士后研究。2019年11月加入西湖大学理学院开展独立工作,从事有机功能材料的合成及应用研究。

王盼课题组致力于在有机合成化学、能源化学和材料化学交叉领域开展工作,致力于设计和发展新材料,从分子水平对有机材料进行结构修饰及物化性能调控。(1)针对多功能化的、手性发光性能的、具有磁-光等刺激响应的有机功能材料展开基础研究及应用开发。(2)发展具有氧化还原活性的新型储能材料,研究其在电化学反应及储能设备中的应用。课题组有多个博士后位置和博士招生名额,欢迎具有有机合成背景、光电器件及能源材料背景的科研人员加入!

课题组网站:https://panwanglab.westlake.edu.cn/