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2018年9月22日
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金钟、李桂根课题组合作研发基于仿生有机小分子的新型液流电池

图1. 2,3-HCNQ 与K4Fe(CN)6液流电池模型图。

能源的可持续利用是当今社会亟待解决的一个问题。自工业革命以来,化石能源被大规模的开采与消耗,由此带来的温室效应造成了严重的生态问题。在过去几十年间,全世界兴建了许多太阳能发电站与风力发电站。但是,由于太阳能和风能的间歇性及波动性,必须发展有效的手段来克服能量存储及释放的稳定性问题。一般而言,光伏电站的规模可达1 KW至550 MW,风力涡轮机目前可达7.5 MW的规模。在此范围内,用液流电池储能恰好可以满足风力及太阳能电网的需求。

传统的液流电池基于无机金属离子间的电化学反应实现能量的存储及释放,但由于此类物质在电极表面的电化学速率缓慢,用于大规模储能造成的能量损失较高。此外,此类电解液的高毒性、高成本及高腐蚀性也引起了人们的担忧。

受自然界中存在的天然有机染料小分子——指甲花醌(2-HNQ)的启发,pt老虎机游戏金钟课题组及李桂根课题组合作研发了一种低成本的萘醌类衍生物——2-羟基-3-羧基-萘醌(2,3-HCNQ)。 该分子在碱性环境中具有良好的氧化还原可逆性(ΔEP=48 mV)和高溶解度(1.2 M),与常见的亚铁氰化钾分子可组成一种新型的有机液流电池(图1)。

图2. 2,3-HCNQ 的合成路径和电化学性质。

图3. 2,3-HCNQ 的扩散系数和反应速率常数测试。

图4. 2,3-HCNQ 与K4Fe(CN)6组成的液流电池性能测试。

2,3-HCNQ分子的制备过程简单且成本低廉(图2)。更重要的是,该有机分子在电极上的电化学反应速率比VO2+/VO+,V3+/V2+,Fe3+/Fe2+等常见过渡金属离子氧化还原电对高很多(图3),这使得组装的液流电池在无需任何催化剂的情况下,充放电电流密度为100 mA cm-2时,电池的库伦效率仍然接近100%,能量转换效率近70%(图4)。在目前研究阶段,电池的开路电压为1.02 V,电池的比容量已超过18 Ah L-1,容量保持率达99.95% cycle-1。此外,该电池的最大输出功率为0.255 W cm-2,与商业化的燃料电池相当,并仍有提高的空间。

该工作最近以“High-Performance Alkaline Organic Redox Flow Batteries Based on 2-Hydroxy-3-Carboxy-1,4-Naphthoquinone”为题发表在ACS Energy Letters期刊, DOI: 10.1021/acsenergylett.8b01296。17级博士研究生王财兴、杨振为该论文的共同第一作者,金钟教授和李桂根教授为通讯作者。

该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江苏省双创人才计划和中央高校基本科研业务费等项目经费的资助。

(化学化工学院 科学技术处)