大规模储能系统有着很大的潜力解决可再生能源和分布式电源的并网问题，实现源网荷双向互动，是规模化开发和高效利用太阳能、风能等可再生能源的关键技术之一。水系液流电池有大容量、大功率、灵活性、安全性等优点，在发展可再生能源方面应用前景广阔。为解决液流电池技术大规模应用对低成本、资源可持续性的要求及部分极端环境应用场景的需求，近年来，使用具有可调氧化还原电位的有机小分子储能材料的新一代水系有机液流电池受到了广泛关注。

然而，在有机液流电池运行过程中活性材料分解和渗透跨膜导致的电池容量衰减以及高成本的离子选择性隔膜是困扰化学家、阻碍有机液流电池技术应用的重大难题。近日，美国犹他州立大学的刘天骠教授、博士后罗建（第一作者）和团队其他成员开发出一种锌-二茂铁氧化还原双极性储能材料，应用于pH中性水系液流电池。该液流电池体系使用廉价的Daramic微孔隔膜，表现出高循环稳定性、储能密度和输出功率密度，将水系有机液流电池的性能推进到了一个新的高度。

作者从廉价的二茂铁和氢氧化锌出发，经过三步简单反应合成了氧化还原双极性储能材料Zn[Fc(SPr)₂]。由于多个亲水性磺酸基团的引入，有机阴离子部分与溶剂水分子间产生强氢键作用，使得该化合物表现出高达1.8 M的溶解度。Zn[Fc(SPr)₂]材料在电池正极发生的二茂铁氧化/还原（0.28 V, vs. NHE）和电池负极发生的锌沉积/剥离（-0.85 V, vs. NHE）间电位差为1.13 V。电化学动力学和对称半电池研究表明，Zn[Fc(SPr)₂]材料的有机阴离子部分具有较高的电荷转移和传质速率以及极高的电化学稳定性。

作者研究了Zn[Fc(SPr)₂]材料在0.5 M浓度，即10.1 Wh/L能量密度下的电池性能。该液流电池系统可在40-200 mA/cm²的电流密度下稳定运动。在40 mA/cm²电流密度下的储能效率高达81.5%；在200 mA/cm²电流密度下储能效率依然能够达到63.3%。虽然使用廉价的Daramic微孔隔膜，但该体系的库伦效率在测试的各电流密度下都能达到95%以上。作者进一步将液流电池的能量密度提高到20.2 Wh/L（1.0 M），与商业化的全钒液流电池相当（20 Wh/L）。在80 mA/cm²电流密度下充/放电循环2000次，历时53.5天，未发现电池容量的衰减。此外，该液流电池在100%和50%充电状态下分别表现出高达252.7和222.4 mW/cm²的输出功率密度，与强酸性和强碱性液流电池相当。该电池是迄今报导的有机液流电池中能量密度、循环寿命和电流与功率性能等方面综合性能最好的一例。

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An Energy Dense, Powerful, Robust Bipolar Zinc-Ferrocene Redox Flow Battery

Jian Luo, Bo Hu, Maowei Hu, Wenda Wu, and T. Leo Liu

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202204030

研究团队简介

犹他州立大学刘天骠团队主要科研方向是能源转化包括电池技术开发、光电催化化学燃料的转化以及环境友好催化有机合成。刘天骠教授是新型有机液流电池的开拓者，在多价离子电池，电催化能源转化和电催化有机合成方向也作出一系列原创性的工作。学术成果曾多次发表在Science、Nature Chemistry、 Nature Materials、 Joule、 Chem、Journal of the American Chemical Society、Angew. Chem. Int. Ed. 、Energy and Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Nature Communications 等国际顶级期刊。科研成果多次被媒体报到，包括Science、Nature、C&EN、Phy.org、Sciencedaily、Physicstoday.org、《科技日报》等。本课题组现招收有机和金属有机合成，电催化和电合成背景的研究生和博士后，欢迎有志之士加入我们课题组。

刘天骠

https://www.x-mol.com/university/faculty/37846 

课题组网站

https://www.tianbiaoliu.org