低衰减的新纪录保持者 西湖大学最新研究:用氨基酸降低电池容量衰减

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日期:2021-02-02 15:31:29    来源:科技日报    

为满足人类能源需求,发展清洁的可再生能源已是大势所趋。而高效地利用可再生能源,又依赖储能技术的发展。

记者1月20日从西湖大学了解到,西湖大学理学院特聘研究员王盼课题组及其合作团队利用氨基酸发展了新型仿生设计水溶性吩嗪类化合物,赋予水系有机液流电池体系极低的电池容量衰减。

该研究提供了一种新型高稳定性水系有机分子结构骨架设计策略,为进一步设计构建高性能水系液流电池提供了重要理论依据。这一最新成果日前作为封面文章发表于《德国应用化学》期刊。

安全性较高的储能系统

“作为液流电池的一种,水系有机液流电池使用水作为介质,是具有较高安全性的储能系统。”王盼说,液流电池可以将电能转化为化学能进行储存,它通过活性物质在电极表面发生氧化还原反应来储存和释放能量。

研究人员介绍,水系有机液流电池的活性材料,来源于自然中储量丰富的碳、氮、氧等元素,这些元素在分子结构上可编辑可调节,能够通过有机官能团得失电子的氧化还原行为,完成化学能与电能的相互转化。

而有机分子中的多电子转移及其多样的可设计性,赋予了水系有机液流电池独特灵活的优势,使之成为液流电池发展的新趋势。

“在水系液流电池领域,一系列基于蒽醌、紫罗碱、二茂铁、氮杂芳环等有机结构骨架的分子,已展现了较为良好的性能和应用前景。”王盼说,然而,目前绝大部分研究工作都是基于商业可得的已知功能染料分子;基于吩嗪类有机结构骨架的衍生物,在前序报道中仅有几个例子,均存在水溶性差和不稳定等问题,且该类化合物衰减机理尚不明确。

低衰减的新纪录保持者

为改进现状,西湖大学研究人员将目光投向自然界来源广泛的氨基酸。

该课题组将氨基酸作为功能化基团引入吩嗪骨架,利用氨基酸的水溶性特点及给电子特性,合成了一系列水溶性吩嗪类衍生物(AFP)。之后,研究人员系统地探究了“AFP家族”不同成员——即不同支链及不同位置的氨基酸——对水系液流电池性能的影响。

“研究表明,1,6-AFP具有稳定的氧化态和还原态;1,8-AFP、2,7-AFP同样具有稳定的氧化态,但其还原态易于发生氢的互变异构,失去氧化还原活性并进一步降解,在电池测试中其容量迅速衰减。”王盼介绍。

课题组还对该类化合物的衰减机制做了详尽分析。研究发现,明星分子1,6-AFP在pH8,1M电子浓度下,在水系液流电池长时间的恒压充放循环过程中表现优异。

“在实验测试99天之后,通过核磁及电化学手段并没有观察到任何化学分解。该液流电池具有极低的容量衰减(0.0015%每天),在长时间充放电的状态下,仅表现出每年0.5%的衰减。”王盼说。

研究人员表示,这是目前所有报道中,水系有机液流电池低衰减的新纪录保持者,在水系储能系统中具有重要应用价值。(通讯员 徐 珊 记者 刘园园)

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