Engineering redox-active compounds to support stable multi-electron transfer is an emerging strategy for enhancing the energy density and reducing the cost of redox flow batteries (RFBs). However, when sequential electron transfers occur at disparate redox potentials, increases in electrolyte capacity are accompanied by decreases in voltaic efficiency, restricting the viable design space. To understand these performance tradeoffs for two-electron compounds specifically, we apply theoretical models to investigate the influence of the electron transfer mechanism and redox-active species properties on galvanostatic processes. First, we model chronopotentiometry at a planar electrode to understand how the electrochemical response and associated concentration distributions depend on thermodynamic, kinetic, and mass transport factors. Second, using a zero-dimensional galvanostatic charge / discharge model, we assess the effects of these key descriptors on performance for a single half-cell. Specifically, we examine how different properties (i.e., average of the two redox potentials, difference between the two redox potentials, charging rate, mass transfer rate, and comproportionation rate) affect the electrode polarization and voltaic efficiency. Finally, we extend the galvanostatic model to include two-electron compounds in both half-cells, demonstrating compounding voltage losses for a full cell. These results evince limitations to the applicability of multi-electron compounds—as such, we suggest new directions for molecular and systems engineering that may improve the prospects of these materials within RFBs.

中文翻译：

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好东西太多了吗？评估氧化还原液流电池的两种电子化合物的性能折衷

工程氧化还原活性化合物以支持稳定的多电子转移是提高能量密度和降低氧化还原液流电池（RFB）成本的新兴策略。然而，当在不同的氧化还原电势下发生连续的电子转移时，电解质容量的增加伴随着伏安效率的降低，从而限制了可行的设计空间。为了具体了解两电子化合物的这些性能折衷，我们应用理论模型来研究电子转移机理和氧化还原活性物质性质对恒电流过程的影响。首先，我们在平面电极上对计时电位建模，以了解电化学响应和相关的浓度分布如何取决于热力学，动力学和质量传递因子。第二，使用零维恒电流充/放电模型，我们评估了这些关键描述符对单个半电池性能的影响。具体而言，我们研究了不同的特性（即，两个氧化还原电势的平均值，两个氧化还原电势之间的差异，充电速率，传质速率和复合比例）如何影响电极极化和伏打效率。最后，我们将恒电流模型扩展为在两个半电池中都包含两个电子化合物，从而证明了整个电池的复合电压损耗。这些结果表明了对多电子化合物适用性的限制-因此，我们建议分子和系统工程的新方向，以改善RFB中这些材料的前景。我们评估了这些关键描述符对单个半电池性能的影响。具体而言，我们研究了不同的特性（即，两个氧化还原电势的平均值，两个氧化还原电势之间的差异，充电速率，传质速率和复合比例）如何影响电极极化和伏打效率。最后，我们将恒电流模型扩展为在两个半电池中都包含两个电子化合物，从而证明了整个电池的复合电压损耗。这些结果表明了对多电子化合物适用性的限制-因此，我们建议分子和系统工程的新方向，以改善RFB中这些材料的前景。我们评估了这些关键描述符对单个半电池性能的影响。具体而言，我们研究了不同的特性（即，两个氧化还原电势的平均值，两个氧化还原电势之间的差异，充电速率，传质速率和复合比例）如何影响电极极化和伏打效率。最后，我们将恒电流模型扩展为在两个半电池中都包含两个电子化合物，从而证明了整个电池的复合电压损耗。这些结果表明了对多电子化合物适用性的限制-因此，我们建议分子和系统工程的新方向，以改善RFB中这些材料的前景。两个氧化还原电势的平均值，两个氧化还原电势之间的差异，充电速率，传质速率和复合比例）会影响电极的极化和伏打效率。最后，我们将恒电流模型扩展为在两个半电池中都包含两个电子化合物，从而证明了整个电池的复合电压损耗。这些结果表明了对多电子化合物适用性的限制-因此，我们建议分子和系统工程的新方向，以改善RFB中这些材料的前景。两个氧化还原电势的平均值，两个氧化还原电势之间的差异，充电速率，传质速率和复合比例）会影响电极的极化和伏打效率。最后，我们将恒电流模型扩展为在两个半电池中都包含两个电子化合物，从而证明了整个电池的复合电压损耗。这些结果表明了对多电子化合物适用性的限制，因此，我们为分子和系统工程提出了新的方向，可能会改善RFB中这些材料的前景。说明整个电池的复合电压损耗。这些结果表明了对多电子化合物适用性的限制-因此，我们建议分子和系统工程的新方向，以改善RFB中这些材料的前景。说明整个电池的复合电压损耗。这些结果表明了对多电子化合物适用性的限制-因此，我们建议分子和系统工程的新方向，以改善RFB中这些材料的前景。