隨著可再生能源的快速發展,開發低成本、長壽命、高安全的大規模儲能技術成為實現碳中和的關鍵。中性水系有機液流電池(AORFBs)因分子結構可調、環境友好等優勢備受關注。萘酰亞胺(NDI)衍生物憑借其高度的π-π共軛體系和雙電子存儲特性成為理想候選材料,然而循環過程中的側鏈和酰亞胺環易受OH⁻親核攻擊導致分解,且自由基態分子聚集引發粘度激增,嚴重制約其實際應用。現有NDI材料雖通過親水基團調控提升了溶解度,但仍面臨分子穩定性不足和電池循環壽命短等挑戰。因此,開發兼具高穩定性、低成本的NDI電解質材料是推動AORFBs商業化的核心課題。
最近,西安交通大學前沿院何剛教授團隊創新性提出了一種離子協同策略,用常壓法合成了一類具有高穩定性的萘二酰亞胺兩性離子衍生物[(CBu)2NDI,(SPr)2NDI,(SPrOH)2NDI]。單晶結構顯示,分子間側鏈的靜電相互作用力致使(CBu)2NDI形成平行交錯的π-π堆疊模式(間距3.45 Å,位移角42.8°),有效抑制了高活性自由基態下的分子聚集,進而在自由基狀態下保持較高的水溶性。通過核獨立化學位移值[NICS (1)]以及福井函數的計算,證明了陰離子的引入顯著抑制了OH⁻親核反應導致的電解質材料降解。此外,單點能的計算闡明了支持電解質中K+在電池循環過程中的穩定機制。該策略使(CBu)₂NDI的水溶性高達1.49 M,所構筑的電池總電解質成本低至$6.58·Ah⁻1,在2 M電子濃度下經長時間循環無明顯的容量衰減。這些發現促進了高性能中性水系有機液流電池的發展,并展示了其大規模商業應用的潛力。
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