前沿院何刚教授科研团队在中性水系有机液流电池领域取得重要进展!

中性水系有机液流电池（AORFBs）为可再生能源从补充能源向主要能源的过渡提供了一条有前景的途径。萘二酰亚胺（NDI）作为一种极具吸引力的负极电解质材料，在水中可发生稳定的双电子转移。然而，其发展仍受到高浓度条件下材料长期循环稳定性差和氧化还原动力学迟缓的制约。尽管引入亲水基团可以缓解这些问题，但对称的末端官能化通常在高浓度条件下易于发生强分子间相互作用、高粘度和缓慢的传质，仅靠溶解度并不能解决核心问题。在高浓度运行下，NDI电解质仍然容易出现性能衰减，其根源在于聚集、粘度增加、界面电荷转移缓慢，以及长期循环过程中局部pH波动所引发的不可逆副反应。以往大多数研究仅针对孤立的参数（如溶解度或分子堆积）进行优化，而能够同时调控聚集行为、氧化还原动力学和抗分解能力的分子设计仍然很少见。

针对上述挑战，西安交通大学前沿院何刚教授课题组提出一种侧链对称破缺策略，用于制备一系列萘二酰亚胺（NDI）负极电解液。其中diol-dex-NDI实现了1.82 M的高溶解度。密度泛函理论和分子动力学模拟表明，diol-dex-NDI优先采用动态的反平行π-π堆积模式，从而增强热力学稳定性并有效抑制分子聚集。原位拉曼光谱揭示了电子转移过程中水合壳层的动态变化，显示其去溶剂化能垒比dex-NDI降低了35%。此外，与电极之间的π-π相互作用和偶极相互作用增强了吸附能并加速了电子转移。该分子设计还强化了关键的C-N键（键解离能增加），从而从本质上提高了抗电化学降解能力。凭借这些优势，基于1.0 M（2 M e-）diol-dex-NDI/MiAcNH-TEMPO的液流电池在循环620圈后无明显容量衰减。

本工作从分子精准设计出发，利用侧链对称破缺策略成功调控了分子π-π堆积方式、水溶性、电极反应动力学及化学稳定性。该研究结果为开发高浓度、长寿命水系有机液流电池电解液提供了全新的设计思路与实验依据。

以上结果以论文形式发表在国际化学领域权威期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上，西安交通大学前沿院博士研究生张恒为本论文第一作者，何刚教授为本论文唯一通讯作者，这也是何刚教授课题组在中性水系有机液流电池领域中的又一重要突破。

该工作得到了国家自然科学基金、陕西省技术创新引导专项、陕西省重点研发计划关键核心技术项目、中国博士后科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金项目、分析测试共享中心及超算中心等的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.8798664

课题组主页：http://ganghe.xjtu.edu.cn/