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有机液流电池分子设计:结合实验与计算研究

注:文末有本文科研思路分析


相比传统的固态电池,液流电池的电活性物质溶解在液体并存储在外部的容器当中,这种特殊的设计具有非常明显的技术优势,包括广泛的自由度来调节电池的能量和功率,因此适合大规模储能。但是传统的液流电池受限于水系电解液,工作电压通常低于1.5 V,而且基于重金属的氧化还原电对也会带来环境和资源方面的问题。近日,由德州大学奥斯丁分校余桂华教授(点击查看介绍)带领的团队与南京师范大学李亚飞教授(点击查看介绍)合作,通过实验与计算的结合,系统研究了醌类作为活性物质在非质子溶剂中的电化学性能。经过系统的分子结构优化与筛选,基于萘醌的液流电池可以达到高能量密度和工作电位,且充放电100圈几乎没有容量衰减。该研究综合有机分子筛选,电化学分析和理论模拟计算,为设计高性能可持续性绿色液流电池提供了思路。

醌类化合物广泛存在于自然界中,并对生物系统中氧化还原反应的电子转移起重要作用。醌类应用在液流电池也陆续被发表,但是大部分研究还是基于水系电解液,无论是溶解度还是电压都有待提高。在这篇文章中,研究人员系统地探究了五种醌类化合物在非质子溶剂中的性能。首先通过溶剂筛选,二甲基乙酰胺具有较高的介电常数(有利于支持电解质的溶解)、较低的密度(提高能量密度)和较低的粘度(提高离子导电率)被选为溶剂。接下来的计算研究发现,醌类化合物的反应电势受分子的芳香性影响,且可以根据分子Clar结构式的NICS值进一步推出。另外,醌类化合物的电化学活性也受其分子结构的影响,经过深入研究与排查,有机分子在溶剂中传质的因素,和有机还原态烯醇阴离子的稳定性的因素被排除,而醌类化合物的HOMO-LUMO能隙与电化学活性的正相关性指出,有机分子的电子结构对其氧化还原反应的进行程度有直接影响。综合考虑了电化学稳定性和溶解度的关系,萘醌被选为活性分子,并创造性地应用在基于组合电解液的锂-液流电池当中。经过一系列的电化学测试包括循环伏安、稳定性和电池极化曲线,该电池都展现出了稳定的性能和很好的潜力,为下一代可持续性绿色能源的发展拓宽了道路。

这一成果近期发表在Cell Press旗下的Chem上,文章第一作者德州大学材料科学与工程专业的博士生丁煜共同通讯作者余桂华教授与李亚飞教授。余教授的团队还在继续研究,希望通过分子工程的方法进一步对有机活性物质进行优化筛选,通过合成及开发新的生物相关的有机物来组装液流电池,设计功能性导向的活性有机分子,把“原子经济性”的原则扩展到能源领域,开发可持续性的绿色储能体系,实现电能在大规模及超大规模上的存储。


该论文作者为:Yu Ding, Yafei Li, Guihua Yu

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Exploring bio-inspired quinone-based organic redox flow batteries: a combined experimental and computational study

Chem, 2016, 1, 790-801, DOI: 10.1016/j.chempr.2016.09.004


科研思路分析

Q:您的研究思路是什么,或者您的这项研究的想法是怎么产生的?

A:我们实验室专注于从化学和材料的角度来合理设计液流锂电池,并且对其基本原理和表征都非常感兴趣,包括通过分子工程对活性物质的物理、化学性能进行调控,结合分子水平的电化学反应机理和反应动力学研究,辅以高性能理论计算模拟。基于该研究方法,我们发展了一系列基于组合电解液的锂-液流电池,仿生-液流电池,为下一代储能材料提供了一些新的思路。


Q:这项研究的最大挑战在哪里?

A:主要挑战是两方面的,分别是科学层面和工程方面的。首先从科学方面来说,对于一项横跨有机、物化、计算化学和材料科学的交叉研究,我们需要整合各方面的理论与技术,得到数据之间的相关性,进而得出普适性的规律。作为一名研究能源的材料学家,我很庆幸有一些很好的合作者,不管是有机方向的还是计算方向的,该工作也很好的体现了合作性的跨学科研究在设计储能材料以及理解储能机理方面的强大功能。第二个挑战就是工程领域的了,我们有了这个想法,有先进的仪器和很好的合作伙伴,但是实现这个电池设计和下一步更大规模应用评估也需要很大的精力与投入。


导师介绍

Yu, Guihua

http://www.x-mol.com/university/faculty/37838

李亚飞

http://www.x-mol.com/university/faculty/11787


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