【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，以光伏、風(fēng)電為代表的清潔可再生能源成為能源結(jié)構(gòu)的主體。然而，此類新能源受自然條件影響，存在間歇性、波動(dòng)性和不可控等問題，嚴(yán)重制約了其大規(guī)模接入電網(wǎng)與廣泛應(yīng)用。水系有機(jī)液流電池作為一種新型的大規(guī)模儲能技術(shù)，因其低成本、高安全性以及功率與容量可獨(dú)立設(shè)計(jì)等突出優(yōu)勢，被認(rèn)為是解決新能源大規(guī)模儲能瓶頸的理想方案。
 

　　紫精類活性分子以其成本低、水溶性高、氧化還原可逆性優(yōu)良等特性，是目前水系有機(jī)液流電池中應(yīng)用最廣的負(fù)極活性材料之一。然而，在長期充放電循環(huán)中，紫精類電解液容易發(fā)生起源不明的堿化反應(yīng)，導(dǎo)致分子降解和容量快速衰減，嚴(yán)重影響電池的運(yùn)行壽命。該問題在兩電子轉(zhuǎn)移條件下尤為突出，不僅限制了第二電子的有效利用，也制約了體系能量密度的進(jìn)一步提升。因此，深入理解其堿化機(jī)制是提升紫精類水系有機(jī)液流電池綜合性能的關(guān)鍵。
 

　　針對上述問題，西安交通大學(xué)宋江選教授團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建了集原位pH監(jiān)測、氣相色譜分析與電化學(xué)性能測試于一體的多模態(tài)測試平臺，首次系統(tǒng)揭示了紫精負(fù)極的兩階段堿化機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，初始階段的堿化由低電位下的析氫反應(yīng)主導(dǎo)，引起體系pH值的不可逆上升；隨后階段則源于季銨氮與吡啶氮位點(diǎn)之間的可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，造成持續(xù)的pH振蕩行為?；谶@一機(jī)理認(rèn)識，團(tuán)隊(duì)通過高濃度支持電解質(zhì)體系驗(yàn)證了調(diào)控策略的有效性，在兩電子轉(zhuǎn)移條件下實(shí)現(xiàn)了66.9 Wh Lanolyte-1的能量密度；經(jīng)過200次循環(huán)后，電池容量保持率達(dá) 99.25% / 天，展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。該研究不僅深化了對紫精類電解液堿化起源的理解，也為設(shè)計(jì)高耐久性水系有機(jī)液流電池電解質(zhì)提供了具有普適意義的理論框架。
 

　　該成果以《揭示水系有機(jī)液流電池紫精類負(fù)極電解質(zhì)電化學(xué)堿化起源》(Uncovering the Electrochemical Origin of Alkalization in Viologen-Based Aqueous Flow Batteries)為題發(fā)表于國際權(quán)威期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angewandte Chemie International Edition)上，碩士生姜子睿與博士生狄云鵬為論文共同第一作者，范豪副教授與宋江選教授為論文通訊作者，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文唯一通訊單位。
 

　　近年來，團(tuán)隊(duì)圍繞紫精類電解質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、反應(yīng)機(jī)制與穩(wěn)定性調(diào)控開展系統(tǒng)研究。近日，團(tuán)隊(duì)受邀在國際知名期刊《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上發(fā)表了題為《水性有機(jī)液流電池中紫精衍生物的進(jìn)展與展望》(Viologen Derivatives in Aqueous Organic Redox Flow Batteries: Progress and Perspectives)的綜述論文。該綜述系統(tǒng)梳理了紫精電解質(zhì)在水系有機(jī)液流電池中的最新研究進(jìn)展，總結(jié)了雙極分子設(shè)計(jì)、共軛骨架擴(kuò)展、位阻調(diào)控、主客體作用與取代基修飾等多種有效策略，揭示了這些方法在提升分子穩(wěn)定性、溶解性和電化學(xué)可逆性方面的機(jī)制；系統(tǒng)介紹了原位與非原位表征技術(shù)在揭示紫精類電解質(zhì)的氧化還原機(jī)理、分解路徑及聚集行為中的應(yīng)用，為未來構(gòu)建高穩(wěn)定性、高能量密度的水系有機(jī)液流電池提供了新的思路與研究方向。博士生李宏斌(已畢業(yè))、溫夢柯和碩士生董文璋為論文共同第一作者，范豪副教授與宋江選教授為論文通訊作者，西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文唯一通訊單位。
 

　　該系列工作部分表征測試工作由西安交通大學(xué)分析測試共享中心與材料學(xué)院測試平臺支持，理論模擬計(jì)算工作依托西安交大高性能計(jì)算平臺完成。