有机氧化还原液流电池中阴极电解液和阳极电解液的新材料

Skoltech及其合作者的研究人员已经设计,合成和评估了可用作有机氧化还原液流电池的阴极电解液和阳极电解液的新化合物,使这项有前途的技术更接近大规模实施。这两篇论文发表在《材料化学杂志A》和《化学通讯》上。

储能是未来基于可再生能源的绿色能源系统的重要组成部分; 电池必须与风力发电场和太阳能发电场相辅相成,并且在设计和使用寿命方面必须具有可扩展性,安全性和灵活性。氧化还原液流电池(RFB)就是所有这些,然而,商业化的一大障碍是其比容量低。因此,许多研究工作集中在开发更好的电池组件以克服这一障碍。

“氧化还原液流电池的主要优点是可扩展性-电池的容量仅受电解液量的限制,因此它是大规模储能的理想构造。如今,我们正在研究有机氧化还原活性材料溶于有机溶剂(非水性有机RFB)。非水有机RFB的主要优势是电池电压高(高达5V,而水基系统约为1.6V),各种各样的可被冷敷的有机氧化还原活性分子以及在低温下的潜在可操作性,无需担心冻结在0摄氏度以下。因此,这项工作为此类RFB的开发提供了可观的进步,”这两篇论文的第一作者Skoltech博士学生Elena Romadina解释说。

在这两篇论文中,Elena Romadina和她的同事描述了用于RFB的极有前途的阴极电解液和阳极电解液材料,分别是基于三芳基胺的材料和吩嗪衍生物。设计,合成和测试了七种高溶解度氧化还原活性三芳基胺基化合物的溶解度和电化学性能,其中一种被选为最有希望进行进一步研究的候选物。作者强调,开发的化合物在极性有机溶剂(如乙腈)中表现出几乎无限的溶解性,这使其对于高容量的RFB具有广阔的前景。在另一项研究中,分两步合成了具有低聚乙二醇醚取代基的吩嗪衍生物,并显示出作为RFB阳极电解液的固体性能。

“一个非水有机氧化还原液流电池被称为吩嗪基阳极电解液和最有前途的三芳基胺基阴极电解液,在50个循环中表现出2.3 V的高电池电压,高容量,> 95%的库伦效率和良好的充放电循环稳定性,”作者在ChemComm论文中写道。

“由于我们的工作,我们提出了可用于RFB的一类新型化合物。以前,聚三芳基胺曾被用作金属离子电池的阴极材料,但此类化合物并未在氧化还原中被研究。因此,我们和其他科学家开辟了一个非常有希望的新核心结构,三芳基胺具有稳定且完全可逆的氧化还原电势,并且很容易被修饰,从而提供不同的氧化还原电势和物理性质。基于三芳基胺的化合物即使在有机溶剂中存在水的情况下也可以保留其电化学性能,这降低了溶剂制备的要求和成本。” Romadina补充说。

“实际上,我们正在研究电池的两端,以提高电池的工作电压并防止阴极电解液和阳极电解液的其他降解。为使有机RFB具有商业可行性,我们还需要在低成本可扩展合成等领域进行研究高溶解度的氧化还原活性分子;高性能膜的开发,该膜是良好的离子导体,但在充放电时可抑制阳极电解液和阴极电解液的交叉;并扩大了大型电池和电池堆级装置的结构以实现网格规模储能,”这些论文的共同作者,Skoltech教务长Keith Stevenson教授说。

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