锂离子电池退场，液流电池登场

Published 16 May.2023 15:55(KST)

GIST开发高功率大容量氧化还原电池
利用氧化还原反应实现电能储存与释放
成本低、寿命长且安全性高

韩国国内研究团队成功实现了一种可替代储能容量小且存在爆炸风险的锂离子电池的高容量、高输出新一代氧化还原电池。

a. 为新开发并针对 HSE 优化的电化学活性（氧化还原活性）有机分子 2-[N,N,N-tris(2hydroxyethyl)]anthracenemethanaminum-9,10-dione bromide（AQM-Br）<br><br>b. AQM-Br 在各 HSE 溶液中的不同浓度溶解度变化曲线图。可以确认在使用 p-TsOH 电解质时溶解度急剧提高。<br><br>＜图源=GIST 提供＞

a. 为新开发并针对 HSE 优化的电化学活性（氧化还原活性）有机分子 2-[N,N,N-tris(2hydroxyethyl)]anthracenemethanaminum-9,10-dione bromide（AQM-Br）

b. AQM-Br 在各 HSE 溶液中的不同浓度溶解度变化曲线图。可以确认在使用 p-TsOH 电解质时溶解度急剧提高。

＜图源=GIST 提供＞

光州科学技术院（GIST）16日表示，由 Yoo Seungjun 教授和 Hong Seokwon 教授共同带领的研究团队开发出一种可大幅提升氧化还原活性有机分子性能的电解质，并成功实现了高容量·高输出的氧化还原电池。

目前广泛应用于能源储存系统（ESS）的锂离子电池，存在寿命短以及因电池过热导致爆炸风险的问题。虽然各种替代方案正在研究中，但其中之一的“氧化还原电池”因相对便宜、寿命长且爆炸风险低而备受关注。氧化还原（redox）是还原（reduction）与氧化（oxidation）的合成词。氧化还原电池是指电解液中的活性物质通过“氧化—还原”反应，将电能以电解液的化学能形式进行储存和释放的一种电池。由于采用水系电解质（以水为溶剂），可以从源头上阻断电池过热引发的火灾。这是一种在可实现高功率输出的超级电容器基础上，叠加二次电池“氧化—还原”的能量储存与释放机理，从而极大提升容量的混合型电池。

利用研究团队制备的“水溶增溶剂支撑电解质”，可将用于氧化还原电池的有机分子的溶解度相比以往提升约6倍，从而有望开发出高容量氧化还原电池。要提高像氧化还原电池这类电化学型能源储存系统的能量容量，必须使高浓度活性物质能够溶解在电解液中。然而，以往存在活性物质本身溶解度较低，或者为提高离子电导度而额外加入支撑电解质时，反而导致溶解度下降的问题。

研究团队借鉴“水溶增溶剂”概念，即使原本不易与水分子结合的物质也能很好溶于水，开发出既具有水溶增溶剂结构、又能作为支撑电解质发挥作用的分子。通过这种支撑电解质，可以同时提升活性物质的溶解度和离子电导度。水溶增溶剂（Hydrotrope）是一类对水和油都具有亲和性的“两亲性”低分子量物质，与传统表面活性剂不同，其通过无规的纳米结构，提高原本不易溶于水的物质在水系中的溶解度，是对这类分子结构的统称。

此外，研究团队还设计了与该支撑电解质相匹配的氧化还原活性有机分子，使电池即便在高浓度电解液中也能稳定运行。在高浓度（0.5Mol/L）电解液中，活性有机分子依然能够稳定工作。这是迄今为止开发的醌类（quinone）基氧化还原电池中最高的浓度水平。

研究团队首次引入利用核 Overhauser 效应的核磁共振测量方法，阐明了水溶增溶剂电解质提升氧化还原活性物质溶解度的物理化学机理。研究确认，水溶增溶剂的作用机理会因活性物质的结构不同而产生差异，并据此提出了针对各机理的最优分子结构设计指南。分子间核 Overhauser（Intermolecular nuclear Overhauser）效应，是指利用存在于不同分子中的氢原子之间的核自旋转移，来测量各分子内部氢原子之间距离的方法。

Yoo 教授表示：“此次提升了氧化还原活性有机分子这一顽疾——低溶解度的性能，预计不仅将在高容量·高输出氧化还原电池开发方面取得成果，也将推动多种分子结构的能源储存源开发”，“今后若能充分利用以液体作为能源储存源的优势，也将有助于包括 ESS 大型化在内的应用技术开发。”