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近日，大連化物所儲能技術(shù)研究部（DNL17）李先鋒研究員和張長昆研究員團(tuán)隊(duì)在水系有機(jī)液流電池研究方面取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)通過電化學(xué)—原位/離位核磁共振和電子自旋共振方法，揭示了電池實(shí)際工況中對亞甲基藍(lán)（Methylene Blue，MB）分子的穩(wěn)定化機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，中間態(tài)自由基和還原態(tài)的穩(wěn)定性對MB分子氧化還原反應(yīng)可逆性和空氣耐久性起到了至關(guān)重要的作用。團(tuán)隊(duì)并基于此類分子，開發(fā)出千瓦級的水系有機(jī)液流電池電堆，為水系有機(jī)液流電池的實(shí)用化提供了重要參考。


液流電池（FBs）具有安全性高和效率高等優(yōu)勢，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。水系有機(jī)液流電池因其活性電對為通過有機(jī)合成或從自然界中提取的有機(jī)小分子，具有結(jié)構(gòu)可調(diào)性強(qiáng)、環(huán)境友好等優(yōu)勢，受到越來越多研究人員的關(guān)注。但是，目前絕大多數(shù)有機(jī)分子在空氣中易被氧化，進(jìn)而造成容量的不可逆衰減。因此，開發(fā)空氣穩(wěn)定的高性能有機(jī)活性分子材料對有機(jī)液流電池的研究具有重要的意義。


本工作中，團(tuán)隊(duì)通過研究電解液中的不同組分間的相互作用，實(shí)現(xiàn)了電解液組分優(yōu)化，大幅度提高了電池容量。團(tuán)隊(duì)通過電化學(xué)—原位核磁共振技術(shù)發(fā)現(xiàn)，MB分子在電池運(yùn)行時會發(fā)生歸中反應(yīng)生成自由基態(tài)；電子自旋共振技術(shù)和理論計(jì)算結(jié)果表明，自由基態(tài)和還原態(tài)在空氣中的穩(wěn)定是該分子電化學(xué)反應(yīng)高度可逆和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要原因。為了進(jìn)一步驗(yàn)證MB分子在有機(jī)液流電池中應(yīng)用的可行性，團(tuán)隊(duì)組裝了10節(jié)1000cm2的有機(jī)液流電池電堆，電堆的瞬時放電功率超過了1kW，并連續(xù)運(yùn)行32天，容量幾乎沒有衰減。此外，團(tuán)隊(duì)還對MB電解液在高溫70℃進(jìn)行了加速壽命衰減測試，并分析了其可能的衰減機(jī)理。該項(xiàng)研究不僅闡釋了有機(jī)活性分子的耐氧化機(jī)理，為分子的設(shè)計(jì)提供重要參考；而且開發(fā)的千瓦級電堆有望為水系有機(jī)液流電池從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没峁┝己玫慕梃b。

相關(guān)成果以“Insight into Air-stable Methylene Blue Catholyte towards kW-scale Practical Aqueous Organic Flow Batteries”為題，于近日發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）上。該工作的第一作者是大連化物所DNL17聯(lián)合培養(yǎng)研究生張永輝，上述工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院國際合作項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

原標(biāo)題： 大連化物所基于活性分子穩(wěn)定化機(jī)制開發(fā)出千瓦級有機(jī)液流電池電堆