西安交大在中性水系有機液流電池領(lǐng)域取得關(guān)鍵突破，助力低成本長(cháng)壽命儲能技術(shù)發(fā)展
隨著(zhù)全球可再生能源的快速普及，開(kāi)發(fā)低成本、長(cháng)壽命、高安全性的大規模儲能技術(shù)成為實(shí)現碳中和目標的核心環(huán)節。中性水系有機液流電池（AORFBs）因其分子結構可調、環(huán)境友好等特性，被視為極具潛力的儲能解決方案。其中，萘酰亞胺（NDI）衍生物憑借高度π-π共軛體系和雙電子存儲能力，成為理想的電解液材料候選。然而，該類(lèi)材料在循環(huán)過(guò)程中面臨側鏈與酰亞胺環(huán)易受OH?親核攻擊分解、自由基態(tài)分子聚集導致粘度升高等瓶頸，制約了其實(shí)際應用。
近日，西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院何剛教授團隊針對上述挑戰，創(chuàng )新性提出離子協(xié)同修飾策略，通過(guò)常壓合成法開(kāi)發(fā)出一系列高穩定性萘二酰亞胺兩性離子衍生物，包括(CBu)?NDI、(SPr)?NDI和(SPrOH)?NDI。單晶結構分析表明，(CBu)?NDI分子間側鏈的靜電相互作用形成了平行交錯的π-π堆疊模式（間距3.45Å，位移角42.8°），有效抑制了自由基態(tài)下的分子聚集，同時(shí)維持了高水溶性（1.49M）。理論計算顯示，陰離子的引入顯著(zhù)降低了C=O鍵的親核福井函數值（f+）和核獨立化學(xué)位移值[NICS (1)]，增強了材料抗OH?攻擊的穩定性。此外，支持電解質(zhì)中K?與分子的相互作用通過(guò)單點(diǎn)能計算得以闡明，揭示了電池循環(huán)過(guò)程中的穩定機制。
近日，西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院何剛教授團隊針對上述挑戰，創(chuàng )新性提出離子協(xié)同修飾策略，通過(guò)常壓合成法開(kāi)發(fā)出一系列高穩定性萘二酰亞胺兩性離子衍生物，包括(CBu)?NDI、(SPr)?NDI和(SPrOH)?NDI。單晶結構分析表明，(CBu)?NDI分子間側鏈的靜電相互作用形成了平行交錯的π-π堆疊模式（間距3.45Å，位移角42.8°），有效抑制了自由基態(tài)下的分子聚集，同時(shí)維持了高水溶性（1.49M）。理論計算顯示，陰離子的引入顯著(zhù)降低了C=O鍵的親核福井函數值（f+）和核獨立化學(xué)位移值[NICS (1)]，增強了材料抗OH?攻擊的穩定性。此外，支持電解質(zhì)中K?與分子的相互作用通過(guò)單點(diǎn)能計算得以闡明，揭示了電池循環(huán)過(guò)程中的穩定機制。
該研究成果顯著(zhù)提升了NDI基電解液的綜合性能：所構建的電池總電解質(zhì)成本低至$6.58?Ah?¹，在2M電子濃度下經(jīng)5070次循環(huán)后容量保持率仍達100%，突破了現有NDI材料循環(huán)壽命短的難題。其優(yōu)勢包括：
- 低成本與工藝友好性：常壓合成、簡(jiǎn)單后處理，適合大規模制備；
- 高穩定性：通過(guò)離子協(xié)同作用抑制分子分解與聚集，解決了堿性環(huán)境下的材料退化問(wèn)題；
- 高效儲能特性：高溶解度與長(cháng)循環(huán)壽命，滿(mǎn)足大規模儲能系統對經(jīng)濟性和可靠性的需求。
相關(guān)成果以《協(xié)同離子修飾策略提升萘酰亞胺兩性離子的穩定性用于經(jīng)濟高效的中性水系有機液流電池》為題發(fā)表于國際權威期刊《國家科學(xué)評論》（National Science Review）。西安交通大學(xué)前沿院張恒博士生為第一作者，何剛教授為通訊作者，研究得到國家自然科學(xué)基金、陜西省科技創(chuàng )新專(zhuān)項等項目資助。
此項突破為中性水系有機液流電池的商業(yè)化應用奠定了關(guān)鍵材料基礎，有望推動(dòng)可再生能源儲能技術(shù)向低成本、長(cháng)壽命方向邁進(jìn)，為“雙碳”目標的實(shí)現提供重要技術(shù)支撐。
此項突破為中性水系有機液流電池的商業(yè)化應用奠定了關(guān)鍵材料基礎，有望推動(dòng)可再生能源儲能技術(shù)向低成本、長(cháng)壽命方向邁進(jìn)，為“雙碳”目標的實(shí)現提供重要技術(shù)支撐。