李亚飞:受启发于药学助溶剂的新型高性能离子液流电池

xiagao

不同于传统的燃料电池（活性物质与电极的分离）和蓄电池（电化学可逆性），液流电池的活性物质以液态形式存在并分装在储液罐中，因此同时具有可分离的电极活性物质和可逆的充放电性能，综合了能量转换和能量存储的优势，且具有广泛的能量/功率调节自由度和可扩展性，被视为大规模储能的理想技术。然而传统液流电池的广泛利用受限于重金属活性物质的资源和环境方面的问题。开发新型廉价、环保、高效的有机液流电池技术为克服传统的无机液流电池的缺陷提供了新的方向。醌类化合物广泛存在于自然界中，并对生物系统中氧化还原反应的电子转移起到重要作用。醌类化合物应用在液流电池也陆续发表，但是醌类化合物一般在水溶液中的溶解度有限，需要复杂的化学合成来嫁接亲水基团，从而增加其溶解度，同时受限于水系电解液，其工作电压通常低于1.5 V，限制了其更广泛的应用。

受启发于助溶剂在药学中的应用：难溶性药物与加入的第三种物质在溶剂中以增加药物在溶剂中的溶解度，德州大学余桂华教授带领的团队与南京师范大学的李亚飞教授合作，创造性地把尿素作为助溶剂来增加一系列有机活性物质的溶解度，包括苯醌、对苯二酚、邻苯二酚、蒽醌化合物和核黄素化合物等。通过实验与计算的结合，他们系统研究了醌类作为代表性活性物质与尿素的作用及其在水系电解液中的电化学性能。径向分布函数计算指出助溶剂的加入有助于提高溶剂和溶质分子之间的作用力，同时助溶溶液中分子分布仿真图及氢键模拟揭示了氢键在提高溶质溶解度方面起到的作用。UV-Vis、FTIR、NMR等化学表征进一步证实了氢键在助溶溶液中的作用。在基于组合电解液的锂-液流电池中，助溶溶液作为正极活性材料可以实现114 Wh/L的能量密度。同时，通过搭配铝基的低共熔溶剂作为负极活性物质，该混合离子液流电池可以实现1.8 V的放电电位和25 Wh/L的能量密度。该研究综合有机分子筛选、助溶剂设计、电化学分析和理论模拟计算，为设计高性能、可持续性绿色液流电池提供了思路。

这一成果近期发表在ACS旗下的能源旗舰期刊ACS Energy Letters 上，共同通讯作者为余桂华教授（美国德州大学奥斯丁分校）与李亚飞教授（南京师范大学）。余桂华教授课题组专注于从化学的角度来设计新型液流电池，综合化学科学、材料科学和能源科学的跨学科研究，包括通过有机合成对活性物质的物理/化学性能进行优化，结合分子水平的电化学反应机理和反应动力学研究，辅以高性能理论计算模拟，发展了一系列新型有机液流电池、仿生液流电池，通过把“原子经济性”的原则扩展到能源领域，为下一代绿色储能材料的开发开创了新的方法，并对氧化还原反应电对的分子设计提供了新的理念。

该论文作者为：Yu Ding, Changkun Zhang, Leyuan Zhang, Haiyan Wei, Yafei Li and Guihua Yu

Insights into Hydrotropic Solubilization for Hybrid Ion Redox Flow Batteries

ACS Energy Lett., 2018, 3, 2641, DOI: 10.1021/acsenergylett.8b01828