研究人員通過常壓方法成功合成了兩性離子修飾的萘二酰亞胺（NDI）衍生物。

研究人員開發了一種水系有機液流電池（AORFB），該電池在220次充放電循環中表現出穩定的性能，容量沒有明顯衰減。

這項由西安交通大學何剛教授領導團隊完成的工作，重點在于一種新的電解質設計，旨在解決這類儲能系統在穩定性和成本方面長期存在的挑戰。

研究人員在一項新研究中表示：“由于其高能量密度、長壽命和優異的安全性能，液流電池被認為是大規模儲能設備中極具前景的候選者。”

此項進展的核心在于一種改進的萘二酰亞胺（NDI）衍生物，被用作電池的負極電解液（anolyte）。

基于NDI電解質的挑戰

水系有機液流電池（AORFBs）因其使用地球上儲量豐富的組分并在水基溶液中運行而被考慮用于大規模儲能應用。

NDI衍生物因其每個分子能夠存儲兩個電子而成為負極電解液的候選材料，這有助于提高電池的能量密度。

然而，它們的實際應用一直受到某些性能問題的限制。NDI分子的側鏈和酰亞胺環容易受到水性電解質中氫氧根離子的親核攻擊，導致分子分解。

此外，自由基誘導的分子聚集會導致電解質粘度增加，這可能影響電池的運行。

雖然之前的修飾提高了NDI材料的溶解度，但分子穩定性和循環耐久性仍有待改進。

“水電池”：創新的分子解決方案

為了解決這些問題，研究人員采用常壓方法合成了兩性離子修飾的NDI衍生物。引入這些同時帶有正負電荷的兩性離子，在NDI分子之間產生了靜電排斥力。

這種排斥力使分子形成平行交錯堆疊模式。相鄰分子之間的夾角為42.8°，堆疊距離為3.45 ?（埃）。這種結構具有多種效果。

首先，兩性離子NDI分子（稱為(CBu)2NDI）上的四個帶電中心將其溶解度提高至1.49 M（摩爾濃度）。其次，這種排列增強了分子在還原態下的芳香性，有助于其在電子轉移過程中的穩定性。

這種結構還抑制了由氫氧根離子攻擊引起的側鏈和二酰亞胺環上的不可逆分解反應。

性能結果與未來展望

單點能量計算表明，電解質中的鉀離子（K?）通過靜電引力穩定了(CBu)2NDI結構。

使用這種電解質（與亞鐵氰化鉀作為正極電解液配對）的液流電池在2摩爾濃度下進行了測試。電解質材料的總成本經計算為每安時6.18美元。

開發兼具穩定性和低成本的基于NDI的電解質，是朝著水系有機液流電池（AORFBs）潛在商業化邁出的一步。

在高濃度下實現這些電池的長期循環穩定性，仍然是發展這項儲能技術的重點研究方向。

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