“十四五”是碳达峰的关键窗口期，以风电、光电为代表的新能源作为可再生能源的主力军，必将在未来清洁低碳、安全高效的能源体系中起到至关重要的作用。然而，风光等新能源发电存在间歇性、波动性、随机性等问题，给新能源电力并网带来巨大挑战。很明显，要实现以风、光为代表的新能源的高效利用，发展大规模储能技术势在必行。中性水系有机液流电池（AORFBs）因其能量与功率之间相互解耦、高安全、绿色环保和低成本等优点，在众多大规模存储技术中脱颖而出，有望成为未来规模化能源存储的首选方案。
有机电解液作为中性水系有机液流最为重要的组成部分，直接决定着电池的性能。目前应用最为广泛的紫精基电解液材料多以单电子存储机制为主，而其双电子存储稳定性欠佳，300次循环容量保持率低于90%。从机制上讲，这都源于在电子转移过程中，高度还原态吡啶环由芳香性变为反芳香性，导致电解液稳定性下降。相比于紫精衍生物，二酰亚胺衍生物具有优异的平面共轭刚性结构，在多个氧化还原状态均保持高度稳定性。同时，由于强π-π共轭和弱p-π共轭，进一步促进了其氧化还原活性和稳定性。因此，发展基于二酰亚胺新型有机电解液将会解决双电子存储电解液的稳定性问题，进一步提升中性水系有机液流电池的性能。
针对上述问题，西安交大前沿院何刚教授团队采用共轭扩展和水溶性修饰等手段，成功制备了一系列大共轭结构的二酰亚胺衍生物（NDI、PDI和TPDI），并将其作为有机负极电解液制备了高稳定性、双电子存储的中性水系有机液流电池。DFT计算结果表明，在高度还原态，二酰亚胺衍生物的芳香性进一步增强，这也是所发展的有机液流电池具有双电子存储高稳定性的内在原因。较之先前研究，基于二酰亚胺衍生物的中性水系有机液流电池表现出迄今为止最为稳定的双电子存储能力。另外，NDI基液流电池的衰减率仅为普通紫精基液流电池的1/15，并且首次实现了有机电解液材料的回收。这一研究工作极大拓展了液流电池阳极电解液材料的选择范围，为大规模储能奠定了坚实的理论基础，具有巨大的应用前景和社会经济价值。
以上研究以《双电子存储的亚芳基二酰亚胺阳极电解液材料用于超稳定的中性水系有机液流电池》（Arylene Diimide Derivatives as Anolyte Materials with Two-Electron Storage for Ultrastable Neutral Aqueous Organic Redox Flow Batteries）为题发表在中国化学会的旗舰刊物《中国化学会·化学》（CCS Chemistry）上。西安交大前沿院博士生刘旭为本论文第一作者，何刚教授为唯一通讯作者，西安交大为本文唯一通讯作者单位，西安交大李明佳教授、长安大学晏妮副教授也参与了该工作。该工作是在前期五元杂环（呋喃、噻吩、硒吩）紫精基液流电池关键电解液材料研究后的又一重要突破（J. Mater. Chem. A2022,10, 9830-9836,正封面;ACS Appl. Mater. Interfaces2022,14, 48727-48733）。
该项研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发项目、陕西省重点研发项目等的资助。论文的表征及测试得到了西安交大分析测试共享中心的大力支持。
论文链接：https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.022.202202336
何刚教授课题组主页：http://gr.xjtu.edu.cn/web/ganghe
