大二本科生（中科大陈维课题组）ESM综述：有机液流电池的研究进展

有机液流电池的研究进展

第一作者：李泽宁 & 蒋涛立

通讯作者：陈维*

单位：中国科学技术大学

近几十年来，液流电池（RFB）逐渐成为一种极具前景的储能电池系统。与静态电池不同，RFB允许反应区域（即电堆）和存储区域（即阴极/阳极液罐）的空间分离，从而确保功率和容量相互独立。功率由电极的表面积决定，而容量由电解液的浓度和储罐的容积决定。其另一个特点是储存在液罐中的电解液不会自行放电，而且其电解液的流动有助于耗散充放电循环过程中所产生的热量，从而避免积热对电池造成的损坏。有机氧化还原物质作为继钒化合物之后的新一代RFB电解液材料，具有成本低廉，种类多样，可调控性强等优异特性，近十年来受到极大的关注，世界各国都在开展相关研究，取得了长足的进步和发展。

要点一：液流电池的组件

要点二：水系有机液流电池

虽然早期的ORFB为非水系，但水系ORFB一经开发便发展迅猛。水系ORFB的优势在于其较高的容量 (>15 Ah/L)，较低的成本与明显强于非水系ORFB的循环寿命，缺点则是由水的电化学稳定窗口导致的其较低电压 (<1.5V)。近年来的研究已发掘出近十种不同的有机正负极材料。其中正极材料有二茂铁衍生物，(2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-yl)oxyl (TEMPO) 衍生物与酚噻嗪衍生物；负极材料有蒽醌衍生物，酚嗪衍生物，咯嗪 (维生素B2) 衍生物，紫精衍生物，芴酮衍生物与偶氮苯衍生物。此外还有基于聚合物的ORFB。综述正文中作者对各种材料的发展历程、性质、优化原理和基于各种材料的ORFB性能展开了详细的讨论。

蒽醌衍生物作为水系ORFB负极材料从2014年开始发展迅速，是目前水系ORFB中应用最广泛的一类。经过不同的修饰，蒽醌分子可应用在酸性、碱性或中性环境中。

要点三：非水系有机液流电池

相较于水系ORFB，非水系ORFB不受限于水的电化学稳定窗口，基于不同的溶剂，其电压可达到2~5 V。而且某些材料在特定溶剂中的溶解度很高，如对甲基苯醌在乙腈中的溶解度可达到6 M。但更多的材料在非水系溶剂里的溶解度较低的问题却是非水系ORFB发展的阻碍。此外，非水系ORFB的安全性不如水系，这也促使其成本较高。在综述正文部分作者总结了两种较为成熟的非水系ORFB材料，即含有氮氧自由基的化合物 (综述中讨论了TEMPO衍生物与PTIO衍生物) 和酚噻嗪衍生物。此外还有正负极采用同种材料的对称电池。

要点四：观点与展望

       高通量计算与人工智能在设计与筛选新的ORFB的正负极材料可能具有巨大的潜力。根据目标材料的氧化还原电位、溶解度和稳定性，其可以精确地从有机分子库中筛选出潜在化合物，并借助高效、经济的合成方法与先进的表征技术进行性质测定。电池测试结果可用于分析目标材料，并决定是否进一步测量其他参数或对其进行优化，而且其对有机分子库也有反馈调节的作用.

文章结尾部分对有机ORFB的发展提出了观点与展望，包括：

1）设计新的氧化还原活性物质。氧化还原活性包括溶解度、电子转移数、氧化还原电位、电子转移速率常数（k0）、扩散系数（D）、稳定性和成本等。这些参数决定了电池的总体性能。为了获得优异的性能参数，需要创新的材料设计。在这方面，已经报道了一些基于醌类化合物的有效且通用的方法，这些方法可以在未来进一步用来开发其他材料。

2）发展合适的电解液。理想的电解液应该是高离子电导、低粘度、廉价、不易燃、无毒和耐腐蚀的。为了实现上述设想，除了对电解液的物理化学性质进行综合测量外，未来的研究还可着力寻找氧化还原活性物质和电解液之间的最佳匹配。

3）开发高性能隔膜和电池构型。正负极材料的跨膜交叉污染已经成为ORFB容量衰减的主要原因之一。因此，未来需要开发高选择性的隔膜，特别是对于容量衰减更为突出的非水体系。此外，需要优化电池构型，以缩小理论结果与电池实际表现之间的差距。

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.04.038

Recent Progress in Organic Species for Redox Flow Batteries

Zening Li#, Taoli Jiang#, Mohsin Ali, Chengxu Wu, Wei Chen*, Energy Storage Materials, 2022.

中国科学技术大学化学与材料科学学院应用化学系特任教授，博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授，国家人才项目计划入选者。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；其后于斯坦福大学从事博士后研究工作；2019年7月入职中国科学技术大学。陈维教授专注于大规模储能电池，电催化等研究，在上述领域取得了一系列科研成果。以第一作者和通讯作者身份在Nature Energy, PNAS, JACS, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials, eScience等国际期刊发表论文70余篇，论文总被引8000余次，H因子44。

陈维老师课题组网页：

http://staff.ustc.edu.cn/~weichen1

1.Xinhua Zheng, Yongchao Wang, Yan Xu, Touqeer Ahmad, Yuan Yuan, Jifei Sun, Ruihao Luo, Mingming Wang, Wei Chen*, Boosting Electrolytic MnO2-Zn Batteries by a Bromine Mediator, Nano Letters, 2021, 21, 20,8863-8871. 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03319

2.Mingming Wang, Na Chen, Zhengxin Zhu, Yahan Meng, Chunyue Shen, Xinhua Zheng, Dongsheng Liang, Wei Chen*, Electrode-Less MnO2-Metal Batteries with Deposition and Stripping Chemistry, Small, 2021, 17, 2103921. https://doi.org/10.1002/smll.202103921

3.Mingming Wang, Xinhua Zheng, Xiang Zhang, Dongliang Chao, Shi-Zhang Qiao, Husam N. Alshareef, Yi Cui*, Wei Chen*, Opportunities of Aqueous Manganese-Based Batteries with Deposition and Stripping Chemistry, Advanced Energy Materials, 2021, 11, 2002904. https://doi.org/10.1002/aenm.202002904

4.Guodong Li#, Wei Chen#, Hao Zhang#, Yongji Gong, Feifei Shi, Jiangyan Wang, Rufan Zhang, Guangxu Chen, Yang Jin, Tong Wu, Zhiyong Tang, Yi Cui*, Membrane‐Free Zn/MnO2 Flow Battery for Large‐Scale Energy Storage, Advanced Energy Materials, 2020, 10, 1902085. https://doi.org/10.1002/aenm.201902085

5.Wei Chen#, Guodong Li#, Allen Pei, Yuzhang Li, Lei Liao, Hongxia Wang, Jiayu Wan, Zheng Liang, Guangxu Chen, Hao Zhang, Jiangyan Wang, Yi Cui*, A Manganese-Hydrogen Battery with Potential for Grid-Scale Energy Storage, Nature Energy, 2018, 3, 428-435. https://doi.org/10.1038/s41560-018-0147-7

中国科学技术大学陈维教授课题组诚聘联合博士后

一、研究方向

本课题组科研经费充足，拥有一流的工作环境，积极开放的学术氛围和优越的国内外交流合作。陈维教授秉持着材料创新与发现的研究理念，通过材料合成、结构设计和系统创新等研究方法将课题组研究集中但不局限于：

1.新型水系离子储能电池

2.氢气二次电池的开发与应用

3.新型高能量密度电池体系

4.电催化剂的微观调控与机理探索

二、申请条件

1.身心健康、责任心强、有团队精神、工作积极主动、创新能力强

2.已获得（博士毕业三年之内）或即将获得化学，材料，物理，化工等相关博士学位

3.优先考虑有电池、电催化等相关研究背景和实验平台搭建经验的申请人

4.具有良好的英文听说读写能力

5.近5年发表过高水平学术论文（至少1篇）

6.年龄不超过35周岁

三、招聘人数：1 人

四、岗位待遇

1.聘期2-3年。

2.工资待遇 （基础年薪税后35万元以上+10万元生活补贴（待确认）：此职位为中科大与深圳研究机构联合招聘，工作地点是中国科学技术大学陈维课题组，开始时间灵活。

3.五险一金：社会保险（基本养老保险、失业保险、基本医疗保险及医疗救助保险、工伤保险、生育保险）和住房公积金。

五、申请程序

请申请者将个人简历等材料发送给陈维老师（weichen1@ustc.edu.cn），邮件以“博后申请+姓名”命名。