“无爆炸、可用20年”……有机分子氧化还原液流电池问世

当前电池领域的主流是锂离子电池。但其存在原材料价格上涨和资源枯竭、起火风险高、寿命短等顽疾。为克服这些问题，研究界正在开发多种价格相对低廉、寿命长且稳定性高的不同材料电池。其中，氧化还原液流电池被视为有力候选之一。它具有成本低、起火风险小、寿命可超过20年的特点，可作为与可再生能源相结合的能源储存装置（ESS，energy storage system，能源储存系统）来使用。然而，作为其主要材料的钒价格近期大幅攀升，已成为商业化的障碍。韩国国内研究团队开发出以价格低廉的其他有机分子替代钒的技术。

韩国科学技术院（KAIST）23日表示，由化学系 Byun Hyeryung、Baek Moohyun 教授研究团队与浦项工科大学（POSTECH） Seo Jongcheol 教授团队通过联合研究，开发出了可用于水系氧化还原液流电池、具有高溶解度且稳定的有机活性分子。氧化还原（redox）是“还原”（reduction）与“氧化”（oxidation）的合成词。氧化还原液流电池通过电解液中的活性物质进行“氧化-还原”（reduction-oxidation）反应来实现电能的储存与释放，是一种将电能以电解液化学能形式进行储存的电化学蓄能装置。

以萘二酰亚胺（NDI）为活性物质制备的有机分子氧化还原液流电池示意图。
a) 各种 NDI 分子的结构。
b) NDI 分子在水中的溶解度（黑色柱）及在含 KCl 电解质的水系电解液中的溶解度（蓝色柱）。
c-d) 所开发的 NDI 分子在储存两个电子时的分子结构变化。
c) 开发的 NDI 分子在氧化还原反应过程中发生簇集与解离的示意图；
d) 分子动力学（MD）模拟快照：从左到右依次为预先制备的 NDI 分子、第一次还原反应后形成的二聚体与四聚体簇，以及第二次还原反应后呈现立体结构的单分子。

图源 KAIST 提供

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研究团队开展了用其他有机物质替代目前以钒为主流的氧化还原液流电池活性物质的研究。有机分子可通过多样的合成设计调节溶解度、电化学氧化还原电位等，因此被视为比钒具有更高能量储存能力的有前景活性物质候选。然而，大多数有机氧化还原活性分子存在溶解度低，或在氧化还原反应中化学稳定性差等问题。若活性分子的溶解度低，则能量储存容量会降低；若分子的化学稳定性差，则会导致循环性能下降。研究团队将萘二酰亚胺（naphthalene diimide，NDI）用作活性分子。尽管 NDI 具有较高的电化学稳定性，但在水系电解液中溶解度低，因此迄今相关研究并不多。

NDI 分子几乎不溶于水，但研究团队在 NDI 上引入了四个铵功能基，使其溶解度最高提升至 1.5 M（1 M = 每升溶液中存在 6.022 × 10²³ 个活性分子）。此外，在中性水系氧化还原液流电池中使用 1 M 浓度的所开发 NDI 分子时，经过 500 次循环后仍保持约 98% 的容量。这意味着每个循环容量仅减少约 0.004%，在总计运行 45 天的情况下，相较初始容量仅减少 2%。同时，所开发的 NDI 每个分子可储存 2 个电子，在使用 1 M 浓度 NDI 时，可实现约 2 M 的电子储存。作为对比，在使用高浓度硫酸溶液的钒氧化还原液流电池中，活性物质钒的溶解度约为 1.6 M，且每个元素仅可储存 1 个电子，因此总共只能储存 1.6 M 的电子。由此可见，本次开发的 NDI 活性分子能够实现比传统钒更高的容量。

本次研究成果已于上月7日在线发表于国际学术期刊《Advanced Materials》。

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Byun Hyeryung 教授表示：“我们利用原本溶解度较低的有机活性分子，提出了可将其应用为氧化还原液流电池活性分子的分子设计原理。本研究表明，可利用在氧化还原反应中分子间结合或分离所产生的相互作用力，来抑制由自由基形成的分子的化学反应性。”她补充称：“未来在作为水系氧化还原液流电池使用时，可兼具高能量密度和高溶解度的优势，并可采用中性水系电解液，有望解决传统钒氧化还原液流电池因使用酸性溶液而带来的腐蚀等问题。”

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