image: 基于(CBu)2NDI负极电解质的性能与优势 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
背景
随着可再生能源的快速发展，推进低成本、长寿命、高安全性的大规模储能技术成为实现碳中和的关键。由于可调的分子结构和环保优势，水系有机液流电池（AORFBs）受到广泛关注。萘酰亚胺（NDI）衍生物凭借延伸的π-π共轭和双电子存储能力脱颖而出。然而，实际应用中，侧链和酰亚胺环易受循环中OH⁻亲核攻击，以及自由基诱导的分子聚集导致粘度急剧增加，阻碍了其发展。尽管现有NDI材料通过亲水基团修饰提高了溶解度，但仍存在分子稳定性不足和循环耐久性有限等挑战。因此，开发同时具备高稳定性和低成本的NDI基电解液，对AORFBs的商业化至关重要。
研究进展
为应对这些难题，西安交通大学何刚教授团队利用常压法合成了一系列两性NDI衍生物，单晶结构显示，分子间侧链的静电相互作用力致使(CBu)2NDI形成平行交错的π-π堆叠模式（间距3.45 Å，位移角42.8°），有效抑制了高活性自由基态下的分子聚集，进而在自由基状态下保持较高的水溶性。与(NPr)₂NDI和dex-NDI相比，引入羧酸盐有效降低了N+的正电荷密度。两性离子间的协同效应带来多方面益处：首先，四个带电中心显著提升了(CBu)2NDI的溶解度（1.49 M）；其次，高度还原性物种芳香性的增强，有助于提高(CBu)2NDI在双电子转移过程中的稳定性。更重要的是，这种效应有效抑制了OH-发生SN2亲核攻击引发的侧链及酰亚胺环的不可逆分解反应，从而进一步提高了分子的抗分解性。此外，单点能量计算证实了K+通过静电吸引对(CBu)2NDI结构的稳定作用。所构建电池的电解质总成本低至$6.18 Ah-1。在2 M电子浓度下，基于(CBu)2NDI/K4Fe(CN)6的中性水系有机液流电池在220次循环中未出现明显容量衰减。这些发现促进了高性能中性水系有机液流电池的发展，并展示了其大规模商业应用的潜力。
未来展望
展望未来，实现高浓度下的长期循环稳定性仍是AORFB发展的关键。近年来，众多用于高性能中性水系有机液流电池的电解质不断涌现，取得诸多重要突破，为储能领域带来新机遇。其中，改性萘酰亚胺（NDI）衍生物凭借出色的水溶性（>1.5 M）和稳定的双电子转移特性，展现出作为AORFBs负极电解质候选材料的巨大潜力。这些进展为AORFB技术的商业化奠定了坚实基础。随着低碳转型的推进，中性水系有机液流电池有望成为大规模储能的重要补充技术，为可再生能源的高效利用提供可持续解决方案。