原位表征技术在水系有机液流电池中的研究进展

水系有机液流电池因活性分子结构和性质可调,低成本等潜在的优势近些年来受到研究者的广泛关注。水系有机液流电池面临着活性分子种类繁多,分子的电化学反应机理不明确,且分子的稳定性较差、副反应较多等问题。原位表征技术特别是原位谱学技术对解析水系有机液流电池中有机活性分子的电化学反应过程、机理以及优化电池的内部结构至关重要。本文综述了近些年来水系有机液流电池中原位谱学表征技术的研究进展,着重介绍了原位核磁共振波谱对于分子在电化学反应过程中结构演变的揭示作用、红外光谱原位表征分子与水的分子间氢键作用和电池充放电过程中分子结构变化、原位紫外光谱观测分子信号的周期性变化来确定其分子电化学反应的稳定性以及利用原位电子顺磁共振波谱来确定自由基浓度和反应速率常数等一系列原位光谱应用技术。另外,通过多种原位表征手段的联用,有望实现功能互补,从而更全面深入地了解电池的电化学反应机理、电池运行状态以及活性物质在电极表面的反应过程。

面向水系有机液流电池的离子交换膜

离子交换膜是水系有机液流电池的核心部件,其对离子的快速、选择性传导是水系有机液流电池实现高能量效率、低容量衰减速率的关键.而离子的传导过程与膜内的微观结构密切相关,因此本文结合膜内离子传导通道的构筑策略分析,综述微相分离膜、自具微孔膜、微孔框架膜在水系有机液流电池中的发展;并围绕离子交换膜的离子传导性、电活性分子阻隔性、稳定性和兼容性等重要特性,探讨离子交换膜设计及优化方向,以期为水系有机液流电池专用离子交换膜的创制提供参考.

中性水系有机液流电池正极电解质的研究进展

中性水系有机液流电池是一种采用在中性条件下水溶性的有机电活性材料作为电解质,通过其可逆氧化还原过程实现能量的存储和释放的电化学储能技术,具有成本低廉、性能易于调控、操作安全性高等优势,在可再生能源的规模化并网和智能化分配方面显示出巨大的应用潜力。本文结合中性水系液流电池的研究现状,对基于二茂铁衍生物与TEMPO衍生物的正极电解质的发展现状、面临的主要挑战和未来发展方向进行了详细的综述和讨论,全面总结并比较了二茂铁衍生物与TEMPO衍生物的改性策略以及作为水系有机液流电池正极电解质的发展前景。相比之下,TEMPO衍生物在电极电势、溶解度、电池容量等方面都有着显著优势,被认为更具发展前景,但其长期循环稳定性略显不足。在已提出的诸多改性措施中,增大空间位阻与静电排斥是两大典型的策略。本文通过对TEMPO衍生物降解机理的分析总结,发现其降解主要是氮氧基键受到质子攻击断裂导致,笔者认为在TEMPO环上引入保护基团有望成为进一步提高其结构稳定性的新策略。

水系有机液流电池活性材料的分子工程研究进展

氧化还原液流电池(RFB)是有良好发展前景的电化学储能技术和大规模可再生能源存储的有效解决方案,其中水系有机氧化还原液流电池(AORFB)不仅成本低,还可以通过分子工程进行活性材料的理性设计,从而高效率地得到具有精准目标性能的新型活性材料。综述了AORFB活性材料的发展历程和研究现状,重点对不同结构活性材料的分子工程研究进行介绍。结合当前研究趋势,提出了活性材料分子工程研究未来发展的方向与思路。

基于细菌纤维素的阳离子交换膜在水系有机液流电池中的应用研究

选用细菌纤维素作为骨架,通过原位聚合的方法将苯乙烯磺酸钠和苯乙烯的共聚物引入骨架中,增加致密度的同时引入正电荷,从而制备出高效阳离子交换膜.将膜应用在蒽醌体系液流电池中,最大功率密度达到185 mW/cm^2.电池在经过200圈连续充放电循环后,库伦效率和能量效率分别维持在99%和80%以上,平均每圈的容量保持率为99.81%,与Nafion膜性能有可比性.通过调整活性电解质浓度发现,负极电解质的渗透是容量衰减的主要原因.

水系有机液流电池电化学活性分子研究现状及展望

水系有机液流电池作为大规模储能技术,在实现可再生能源高效利用方面展现出良好的应用潜力。本文结合水系有机液流电池研究现状,重点围绕能量密度、功率密度、效率和循环寿命四个重要性能参数对水系有机液流电池电化学活性分子进行综述,阐明了电化学活性分子溶解度、电势、电化学反应转移电子数及速率、尺寸、化学稳定性等对水系有机液流电池性能的影响。通过与磷酸铁锂电池、铅碳电池、水系全钒液流电池等技术对比,展望水系有机液流电池发展前景,认为能量密度≥30 W·h/L,最大放电功率密度≥300 mW/cm^(2),能量效率≥80%,循环容量衰减≤0.05%/d的水系有机液流电池有望参与长时储能市场竞争。

高能量密度水溶性有机液流电池的开发策略

水溶性有机液流电池自2014年出现后发展迅猛,特别是近些年来有机电活性物质的降解和二聚导致的容量衰减问题得到初步解决后,该类液流电池有望作为大规模储能系统的候选者。然而能量密度较低的问题限制了其商业化的进程。对此,主要从增大溶解度、提高电化学窗口和电子的得失数这3个方面详细介绍了5种提高水溶性有机液流电池能量密度的方法——分子结构剪裁、“interaction-mediating”策略的应用、采用聚合物电活性物质、“氧化还原靶向”原理和电极表面的改性,同时对进一步提高水溶性有机液流电池能量密度的策略进行了简要展望。

TEMPO及其衍生物在有机液流电池体系中的应用

氧化还原液流电池是一类循环效率高、性质可调控的拥有广阔前景的储能体系。相比无机液流电池体系,以TEMPO及其衍生物作为氧化还原活性材料的有机液流电池,具有成本较低、电压较高、可逆性好、结构可调等优势。本文综述了以TEMPO及其衍生物作为氧化还原活性材料的有机液流电池的研究进展,介绍了相关的实验方法、提出了未来的研究方向。

应用于水相有机液流电池的双电子紫精化合物

由3-氯-1,2-丙二醇与4,4′-联吡啶通过简单的一步反应得到具有双电子特性的1,1′-双(2,3-二羟丙基)-(4,4′-联吡啶)二氯化物(DHPV2+Cl^2-),其理论比容量为142.56 mA·h/g.电化学测试结果表明,该材料有利于提升电池容量,且还原电位低至-0.807 V(vs.Ag/AgCl).以NaCl为支持电解质\,DHPV 2+Cl 2-为负极活性物质\,氮氧自由基哌啶醇(4-OH-TEMPO)为正极活性物质的全电池电压高达1.562 V,且可在10~100 mA/cm^2的电流密度下稳定运行.采用25 mA/cm^2的电流密度充放电,活性物质的有效利用率为70.90%.循环100次后的放电容量保持率为98.09%,每次循环的容量平均保持率为99.93%,表现出较好的循环性能.

水系有机液流电池活性材料研究进展

水系有机液流电池是一种基于水系电解质与电活性有机物的大型储能系统,其水系电解液具有高电导率、高安全、低成本等优点,电活性有机物具有来源广泛、可设计性强、绿色环保等优点,为不稳定的可再生能源的大规模应用提供了绿色可持续的解决方案.本文结合电活性有机物分子设计进展与现状,讨论了有机物分子设计的思路,分类别阐释了有机物分子结构对于其溶解度、化学与电化学稳定性、电位及渗透率的影响,进而影响水系有机液流电池的容量密度、能量密度及循环稳定性.最后展望了电活性有机物的发展方向和水系有机液流电池亟待解决的问题.

烷基磺酸蒽醌电解质的合成及其在液流电池中的应用

分别以1,2-二羟基蒽醌、2,6-二羟基蒽醌和1,4-二羟基蒽为原料与丙烷磺内酯反应,合成了3种烷基磺酸基蒽醌[1-羟基-2-氧丙烷磺酸基蒽醌(1,2-AQPSH_(2))、2,6-二氧丙烷磺酸基蒽醌(2,6-AQDPSH_(2))和1-羟基-2-氧丙烷磺酸基蒽醌(1,4-AQPSH_(2))]。研究了3种烷基磺酸基蒽醌在1 mol/L NaCl水溶液中的溶解性及其在中性条件下的氧化还原性质。选取溶解性最好的烷基磺酸基蒽醌(1,4-AQPSH_(2))作为阳极电解质,与2,2,6,6-四甲基哌啶醇(4-OH-TEMPO)阴极电解液搭配使用,以Nafion212作为离子交换膜,组装了中性水系有机氧化还原液流电池单电池,该液流电池的开路电压约为1.0 V,在60 mA/cm^(2)电流密度下进行循环性能测试,电池的能量密度为68%,库仑效率为97%,电压效率为69%,经过75个充放电循环测试后电池的放电容量没有明显的降低,表明1,4-AQPSH2在该体系下运行具有良好的稳定性。这些结果表明1,4-AQPSH_(2)作为中性水系有机氧化还原液流电池阳极电解液具有很好的应用前景。

氨基酸官能团化的蒽醌合成及其在液流电池中的性能

使用羧基蒽醌与氨基酸通过酰胺键或脲键进行酰胺缩合反应,以及卤代蒽醌和胺的偶联反应两种方法,分别合成两种具有氨基酸官能团的蒽醌衍生物,即(4,5-二羟基-9,10-蒽醌-2-羰基)-谷氨酸(GAAQ)和N,N′-(9,10-蒽醌-2,6-二羧基)-二-甘氨酸(GLAQ)。研究GAAQ和GLAQ两种蒽醌衍生物的电化学性质以及GLAQ的单电池循环性能。结果表明,GLAQ作为电池负极电解液活性物质与亚铁氰化钾组成碱性液流电池,以Nafion作为离子交换膜,在200 mA/cm^(2)的电流密度下进行充放电循环试验,开路电压大于1 V,库伦效率可达92%,电压效率高于85%,能量效率高于80%,并且在200次循环中没有明显的容量下降。

基于截面重构的液流电池内部多组分输运强化

有机液流电池以其低廉的价格和优异的电化学性能受到广泛关注。本文以醌-铁有机液流电池体系为研究对象,建立了多孔电极内部多组分输运模型,并搭建实验台验证了其可靠性。基于传统的蛇形流道,本文研究了流道截面形状对多孔电极内部多组分输运过程和电池性能的影响机理。结果表明,与传统矩形截面流道相比,在相同操作条件下半圆形的截面流道消耗更低的充电电压并且具有更高的放电电压。相较传统矩形截面流道,具有半圆形截面流道的电极均匀性因子最多提高了7.4%。且在电极四分之三切面处,半圆形截面流道电极的反应物浓度比传统电极高10.8%,大幅增强了活性离子的输运。半圆形的流道截面的提出,有利于基于有机液流电池大规模储能技术的发展。