刚发完Science，仿生材料又在Nature Energy破了个电池记录！

叶子

2018-06-05

第一作者：Aaron Hollas

通讯作者：Xiaoliang Wei, Wei Wang

通讯单位：西北太平洋国家实验室（美国）

研究亮点：

1.通过仿生改性，得到高水溶性和高稳定性的吩嗪衍生物负极电解液，使水性有机液流电池的可逆容量史无前例地达到理论容量的90%。

2.基于吩嗪衍生物负极电解液的液流电池，具有优异的容量保持率。

液流电池可大量储存风能、太阳能等清洁能源，以备不时之需。除此之外，液流电池还具有低成本、高安全性等一系列优势。因此，液流电池在大规模储能领域应用广泛，并被广为研究。

同时，液流电池也不可避免地存在这样那样的问题。其中一个关键问题在于，用于储存能量的水溶性有机分子水溶性差，或者不稳定，往往难以实现其理论容量，导致液流电池的功能难以最大程度实现。

图1. 水溶性有机液流电池常用有机分子对比

有鉴于此，美国西北太平洋国家实验室Xiaoliang Wei和 Wei Wang团队通过仿生改性的吩嗪衍生物作为水性有机液流电池的负极电解液，其可逆容量达到理论容量的90%。

图2. 吩嗪衍生物分子结构和计算预测的性能

图3. 理论计算

在生物系统的产甲烷古细菌群中，吩嗪类材料常常被用于氧化还原媒介。通过NMR、DFT虚拟筛选以及有机合成等方法，研究人员基于生物启发，以几乎不溶于水的杂环吩嗪材料为研究对象合成得到仿生的改性吩嗪材料（7,8-dihydroxyphenazine-2-sulfonic acid, DHPS），使其溶解度增加到1.8 M（电子摩尔浓度2.8M），氧化还原电位位移超过400 mV。在接近其饱和浓度的条件下，可逆容量达到67 Ah l^-1（1.4 V），循环500次后容量保持率为99.98%，相当于每循环一次，容量损失仅有0.0195%。

图4 低浓度流体电池性能

图5. 高浓度流体电池性能

总之，这项研究提供了新的水溶性有机分子，将水溶性液流电池的容量推到了极限，为开发更大容量的实用性液流电池提供了借鉴。

参考文献：

Aaron Hollas, Xiaoliang Wei, Wei Wang et al. A biomimetic high-capacity phenazine-based anolyte for aqueous organic redox flow batteries. Nature Energy 2018, 3, 508–514.