研究人员通过常压方法成功合成了两性离子修饰的萘二酰亚胺（NDI）衍生物。

研究人员开发了一种水系有机液流电池（AORFB），该电池在220次充放电循环中表现出稳定的性能，容量没有明显衰减。

这项由西安交通大学何刚教授领导团队完成的工作，重点在于一种新的电解质设计，旨在解决这类储能系统在稳定性和成本方面长期存在的挑战。

研究人员在一项新研究中表示：“由于其高能量密度、长寿命和优异的安全性能，液流电池被认为是大规模储能设备中极具前景的候选者。”

此项进展的核心在于一种改进的萘二酰亚胺（NDI）衍生物，被用作电池的负极电解液（anolyte）。

基于NDI电解质的挑战

水系有机液流电池（AORFBs）因其使用地球上储量丰富的组分并在水基溶液中运行而被考虑用于大规模储能应用。

NDI衍生物因其每个分子能够存储两个电子而成为负极电解液的候选材料，这有助于提高电池的能量密度。

然而，它们的实际应用一直受到某些性能问题的限制。NDI分子的侧链和酰亚胺环容易受到水性电解质中氢氧根离子的亲核攻击，导致分子分解。

此外，自由基诱导的分子聚集会导致电解质粘度增加，这可能影响电池的运行。

虽然之前的修饰提高了NDI材料的溶解度，但分子稳定性和循环耐久性仍有待改进。

“水电池”：创新的分子解决方案

为了解决这些问题，研究人员采用常压方法合成了两性离子修饰的NDI衍生物。引入这些同时带有正负电荷的两性离子，在NDI分子之间产生了静电排斥力。

这种排斥力使分子形成平行交错堆叠模式。相邻分子之间的夹角为42.8°，堆叠距离为3.45 Å（埃）。这种结构具有多种效果。

首先，两性离子NDI分子（称为(CBu)2NDI）上的四个带电中心将其溶解度提高至1.49 M（摩尔浓度）。其次，这种排列增强了分子在还原态下的芳香性，有助于其在电子转移过程中的稳定性。

这种结构还抑制了由氢氧根离子攻击引起的侧链和二酰亚胺环上的不可逆分解反应。

性能结果与未来展望

单点能量计算表明，电解质中的钾离子（K⁺）通过静电引力稳定了(CBu)2NDI结构。

使用这种电解质（与亚铁氰化钾作为正极电解液配对）的液流电池在2摩尔浓度下进行了测试。电解质材料的总成本经计算为每安时6.18美元。

开发兼具稳定性和低成本的基于NDI的电解质，是朝着水系有机液流电池（AORFBs）潜在商业化迈出的一步。

在高浓度下实现这些电池的长期循环稳定性，仍然是发展这项储能技术的重点研究方向。

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