单分子电子“海绵”助力规模储能

太阳能、风能等清洁能源具有不稳定、不连续的特性，其开发利用受到昼夜、季节、地理位置等诸多因素的限制，迫切需要发展新型储能技术；水相液流电池具有负荷调节能力强、灵活性好、安全性高等优点，是实现大规模储能的重要技；有机电活性分子具有环境友好、资源丰富、潜在成本低廉、结构易调变等一系列优势，有望用于下一代水相液流电池。

图1. 三吡啶三嗪体系的多电子存储应用示意图

当前，水相有机液流电池的发展瓶颈在于有机电活性分子的存储容量不高，严重影响了电池能量密度；另外，有机电活性分子在电化学过程中伴随有自由基中间体的生成，具有高反应活性的自由基或与溶剂分子或与自身发生后续化学反应，导致分子失活和电池失效；因此，实现有机电活性分子的多电子可逆稳定存储是水相有机液流电池发展的首要任务。

图2. 三嗪分子的失活机制与自由基稳定化策略

华南理工大学梁振兴教授与中山大学胡树枝博士等在Angew. Chem. Int. Ed.上发表研究论文，首次提出多电活性中心（Multiple Redox Center, MRC）设计理念，通过将致密电子存储单元（三嗪环）与自由基稳定单元（吡啶盐环）进行密集组装，成功构建了三吡啶盐三嗪多电子稳定存储体系（简写为(TPyTz)Cl₆）。研究表明：(TPyTz)Cl₆可进行6电子的可逆氧化还原反应与4电子的电池稳定充放电。采用0.50 M (TPyTz)Cl₆溶液作为负极电解液，电池容量达到33.0 Ah L^-1，峰值功率密度为273 mW cm^-2；单分子电子转移数、实际操作容量和峰值功率密度等指标远超文献中报道的吡啶盐类电活性分子。本工作提出的MRC设计理念为发展新型超高容量有机电活性材料提供了设计基础，同时也为提升水相液流电池容量提供了思路。

图3. 使用0.5 M (TPyTz)Cl₆的液流电池：（a）电池循环性能，（b）电池极化曲线，（c）液流电池技术参数比较

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Radical Stabilization of a Tripyridinium–Triazine Molecule Enables Reversible Storage of Multiple Electrons

Jinghua Huang, Shuzhi Hu,* Xianzhi Yuan, Zhipeng Xiang, Mingbao Huang, Kai Wan, Jinhua Piao, Zhiyong Fu, and Zhenxing Liang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202107216

通讯作者简介

梁振兴教授简介：华南理工大学化学与化工学院教授，担任广东省电化学能源工程技术研究中心主任、广东省燃料电池技术重点实验室副主任；长期从事电化学基础与应用研究工作，具体包括：纳米碰撞电化学、电池关键材料及反应机制、荷质耦合传递过程研究等。迄今在J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等期刊上发表多篇研究论文。

https://www.x-mol.com/university/faculty/16871