紫精基水相液流电池特浓稳定电解液研究

Redox flow battery are characterized by high safety and long cycle life, and can be designed separately for its capacity and power. It is currently one of the most promising large-scale energy storage technologies. Among them, viologen-based aqueous flow battery use cheap and readily available viologen-based negative active materials which can be stably operation in neutral aqueous solution. Such kind of flow battery shows outstanding performance, thus attracting extensive attention in recent years. However, there is still a lack of systematical and comprehensive basic research on the structure-activity relationship between the structure and electrochemical activity of the viologen-based active compound and physicochemical characteristics of the concentrated viologen-base electrolyte. Revealing the structure-activity relationship between the structure and electrochemical activity and elucidating the property regulation mechanism of the active substances can provide research basis on controlling construction of viologen-based active materials with high water solubility and multi-electron. The study of physical and chemical behavior of the concentrated viologen-based electrolyte solution, and the develop of stabilization mechanism of viologen-based electrolyte solution under battery operating conditions, are very important to promote the progress and practical application of viologen-based aqueous flow battery. Hence, this project is based on structure-activity relationship research, designing and developing of electrochemically highly reversible multi-electron viologen-based active compounds at the molecular level. Deepen the understanding of physico-chemical property nature of viologen active materials, developing basic theory of concentrated viologen-base electrolyte.

氧化还原液流电池由于具有容量和功率可分开设计、安全性高、循环寿命长等优点，已成为大规模储能技术中最有前景的技术之一。其中，紫精基水相液流电池使用廉价易得、可在中性水溶液中稳定工作的紫精基负极活性物质并且性能优越，近年来受到广泛关注。但是，国内外目前外对紫精基活性物质化学结构与电化学活性之间的构效关系以及特浓紫精基电解质溶液的物化特性仍缺乏系统全面的基础研究。而揭示化学结构对电化学行为的影响规律，阐述该类活性化合物的性能调控机制，是可控构建高水溶性多电子紫精基活性化合物的关键；研究特浓溶液中紫精基电解质的物理化学行为，发展紫精基电解质溶液在电池工况下的稳定化机制，对推动紫精基水相液流电池的进步与实际应用非常重要。因此，本项目拟通过构效关系研究，在分子层面设计发展电化学高度可逆的多电子紫精基活性化合物；加深对特浓溶液中紫精基活性物质物化性质的认知，发展特浓紫精基电解质溶液化学基础理论。

双碳背景下，清洁能源（如太阳能、风能发电）的大量部署已成必然趋势，储能技术是实现非稳态清洁能源稳定输出的关键支撑。液流电池的容量和功率可分开设计、安全性高、循环寿命长，是长时储能领域最具前景的重要技术之一。传统液流电池技术如全钒液流电池已趋成熟，但受限于较差的资源禀赋，提钒成本较高，导致该类电池无价格优势。因此，研究廉价易得的新型电活性材料（如有机小分子），是推动液流电池技术迈入储能大市场的关键。紫精基水相液流电池因其潜在成本与性能优势，近年受到广泛关注。必须指出的是，紫精基电活性材料相关的基础研究目前仍然较为匮乏。本项目聚焦于紫精基电活性材料结构与电化学活性间的构效关系，研究特浓紫精基电解质溶液物化特性。通过项目实施，取得了系列研究结果，包括1）提出“共轭自调控策略”进行分子结构设计，利用可旋转苯基在空间上隔离两个吡啶盐活性中心，构筑了共轭可开关的紫精基电活性材料；2）提出紫精功能化策略，构筑了水相液流电池适用的高性能TEMPO基正极电活性材料；3）首次提出多电活性中心设计理念，通过将致密电子存储单元（三嗪环）与自由基稳定单元（吡啶盐环）进行密集组装，构筑了三吡啶盐三嗪多电子稳定存储新体系；4）设计开发出富电子五元杂环桥连的低电位、高可逆性、高稳定性紫精电活性材料；关键数据包括1）首次实现了单节紫精基水相液流电池高达1.730 V的标准电池电压（操作浓度为1.0 M电子）；2）所构筑紫精基电活性材料在液流电池中的操作容量达到37.6 Ah L-1（操作浓度为1.5M电子）；3）所构筑多电子存储新体系可实现六电子可逆转移；4）所构筑五元杂环桥连紫精可实现电池的电压与稳定性同步提升。本项目通过研究构效关系，在分子层面设计出电化学高度可逆的紫精基电活性材料；加深了对特浓溶液中紫精基电活性材料物化性质的认知。