太平洋西北國家實驗室Nat. Energy：仿生高容量吩嗪基負極電極液的水性有機氧化還原液流電池性能

【引言】

液流電池是利用正負極電解液分開，各自循環的一種高性能蓄電池，具有容量高、使用領域廣、循環使用壽命長的特點。其中，氧化還原液流電池是一種正在積極研制開發的新型大容量電化學儲能裝置，其活性物質是流動的電解質溶液。近年來，水溶性有機（ASO）氧化還原活性材料常作為氧化還原液流電池（RFB）中傳統過渡金屬離子的替代品。然而，文獻中已報道ASO的可逆容量，通常低于其理論值。本文找到了一種解決這一問題的方法。

【成果簡介】

近日，太平洋西北國家實驗室的Xiaoliang Wei和Wei Wang（共同通訊）作者等人，獲得了一種吩嗪的ASO化合物，其可逆容量極高，超過其理論值的90％。文中通過對吩嗪分子結構進行修改，使原吩嗪的溶解度提高到1.8 M，氧化還原電位超過400 mV。鄰近飽和的吩嗪衍生物（7,8-二羥基吩嗪-2-磺酸）RFB的操作電壓可達1.4 V，可逆陽極電解液容量為67 Ah L^-1，500圈中的每圈的循環容量保持率為99.98％。相關成果以“A biomimetic high-capacity phenazine-based anolyte for aqueous organic redox flow batteries”為題發表在Nature Energy上。

【圖文導讀】

圖 1?吩嗪衍生物的分子結構和性質預測圖

（a）吩嗪分子結構示意圖；

（b）在ADF 2017包裝的雜合功能B3LYP-D3和增強型TZ2P全電子基礎上，吩嗪及其衍生物的能量和勢能圖。

圖 2 吩嗪和最高計算溶劑能材料的庫侖電位圖

圖 3 低濃度和高濃度DHPS的NMR譜圖

（a）在D₂O和1M NaOH中，0.1 M和1.4 M DHPS的1 H-NMR譜圖；

（b）在D₂O和1M NaOH中，0.1 M和1.4 M DHPS的Na-NMR譜圖。

圖 4?吩嗪衍生物的循環伏安圖

圖 5?低濃度液流電池性能圖

（a）在20~100 mA cm^-2下，在0.1M DHPS溶解于10 mL 1M NaOH和0.133 M K₄Fe(CN)₆/0.067 M K₃Fe(CN)₆溶解在15 mL 1M NaOH的電池的容量和效率圖；

（b）在100 mA cm^-2下，1.4 M DHPS電池的循環容量和效率圖。

圖 6?高濃度液流電池性能圖

（a）在20~100 mA cm^-2下，由1.4 M DHPS溶解于5 mL 1 M NaOH和0.31 M K₄Fe(CN)₆/0.31 M K₃Fe(CN)₆溶解于45 mL 2 M NaOH組成的電池的容量和效率圖；

（b）在100 mA cm^-2下，1.4 M DHPS電池的循環容量和效率圖。

【小結】

本文基于吩嗪分子設計的高可逆容量ASO RFB具有卓越的性能。吩嗪衍生物的合成方法主要依賴于低成本的材料和試劑，因此堿性RFB是有前景的和成本效益的ASO陽極電解液。在DHPS中，本文通過NMR和DFT研究吩嗪功能化，調節高溶解度和低氧化還原電位，調整其核心結構，獲得能量密集的ASO材料。DHPS陽極電解液具有很好的電化學性能，在最大90％的溶解度下，可逆陽極電解液容量為67 Ah L^-1；操作電流密度高達100 mA cm^-2；能量效率>75％；循環500次后，容量保持率為99.98％，這已經超過已報道的RFB的ASO活性材料的性能。但是，ASO陰極電解液材料的替代物很少，而在高pH值系統中則更少。本文獲得分子結構功能化方法，提出了一種加速設計具有高容量，穩定性和持續性的陽極電解液和陽極電解液的ASO化合物的方法，這為未來RFB技術提供有前景的氧化還原活性材料。

文獻鏈接：A biomimetic high-capacity phenazine-based anolyte for aqueous organic redox flow batteries（Nat. Energy, 2018, DOI: 10.1038/s41560-018-0167-3）

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