赵天寿教授、贾国成教授Chem. Mater. ：低成本，高能量密度硝基苯在非水有机液流电池体系中的应用- 大数跨境

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赵天寿教授、贾国成教授Chem. Mater. ：低成本，高能量密度硝基苯在非水有机液流电池体系中的应用

科学材料站

2021-02-03

导读：该文章研究了一系列具有低成本的硝基苯及其衍生物电活性分子的电化学以及溶解度特性。

文章信息

低成本，高能量密度硝基苯在非水系有机液流电池体系中的应用

第一作者：刘斌

通讯作者：赵天寿*，贾国成*

单位：香港科技大学

研究背景

氧化还原液流电池在大容量电化学储能方面拥有广阔的应用前景，这种电池使用流动的电解质溶液作为储能介质，能实现功率和容量的独立调控，具有成本低，安全性能好等优点。虽然基于全钒，铁铬金属离子等传统水系液流电池取得了一定的商业化进展，但是仍然受制于高材料成本，强电解质腐蚀性，低溶剂电压窗口等问题。

为了克服这些传统液流电池的不足，研究者们的兴趣集中于利用具有电化学活性的有机分子来替代传统无机金属离子。这一类有机电化学活性分子具有合成简单，自然界来源丰富以及可塑性强的特点。我们可以通过修饰功能化基团调节分子的结构得到具有高电位，高溶解性的活性分子。

文章简介

近日，来自香港科技大学的赵天寿教授与贾国成教授，在国际期刊Chemistry of Materials上发表题为“Cost-Effective, High-Energy-Density, Nonaqueous Nitrobenzene Organic Redox Flow Battery”的文章。

该文章研究了一系列具有低成本的硝基苯及其衍生物电活性分子的电化学以及溶解度特性。使用硝基苯作为负极，成功组装具有2.2 V电压以及理论能量密度192 Wh L-1的有机液流电池。

电池在充放电测试中显示出了较高的容量保持以及能量效率，印证了硝基苯类电化学分子在非水有机液流电池中具有良好的应用前景。

图1.以硝基苯作为负极的非水有机液流电池示意图。

本文要点

要点一：利用循环伏安法研究了具有不同取代基团的硝苯活性分子电化学特性。

如图2所示，发现不同的对位取代基团影响活性分子的氧化还原平衡电位以及电子转移的数量。取代基团的给电子能力越强，氧化还原电位越低。并且具有-NO2，-CHO以及-COCH3基团的硝基苯活性分子可以进行2个电子的电化学还原反应。

图 2.具有不同对位取代基团的硝基苯活性分子电化学循环伏安曲线

要点二：对这类硝基苯及衍生物活性分子的溶解度测量发现：在室温的条件下，硝基苯为液体物质，在含有0.5 M支持电解质盐乙腈溶液中，最高可以制备6.5 M的硝基苯电解质溶液，意味着理论能量密度可以达到174 Ah L-1。

其次，具有-CH3，-CHO，-COCH3取代基的硝基苯分子在乙腈溶剂中分别具有5.4 M, 1.5 M 以及3.0 M的溶解度。

要点三：以硝基苯作为负极活性分子，2,5-二叔丁基-1-甲氧基-4-（2-甲氧基乙氧基）-苯（DBMMB）做为正极活性分子，成功组装了电压为2.2 V的液流电池

在充放电倍率性能测试中，电池在50 mA cm-2电流密度的条件下展示了75%的材料利用率以及90%库伦效率，长循环电池充放电测试中，循环100圈以后，容量保持着初始容量的50%，证明其具有较稳定的充放电性能。

此外，与已经报道的非水有机液流体系中常用活性分子价格对比发现，硝基苯具有最低的材料价格，意味其能很大程度上降低整个电池的成本。

图 3.（a，b）不同电流条件下的容量以及效率 (c)充放电100圈容量保持以及电池效率 (d)电池理论能量密度，容量保持以及材料成本对比

要点四：为了探究电池在高浓度活性分子条件下电池衰减过快的原因，利用1H-NMR， HR-MS对充放电后的产物进行了表征以及分析，并提出了合理的机理解释，证明了电池的过快衰减不是由活性分子的分解造成。

文章链接

Cost-Effective, High-Energy-Density, Nonaqueous Nitrobenzene Organic Redox Flow Battery

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c04118

通讯作者介绍

赵天寿教授.

中国科学院院士、香港科技大学张英灿工程及环境学冠名讲席教授、机械及航空航天工程系讲座教授、香港科大能源研究院院长、香港科大高研院资深学人、美国机械工程师学会 Fellow、英国皇家化学学会 Fellow、国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者讲座教授。曾获Croucher资深研究成就奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、两次国家自然科学二等奖、香港科大工程学杰出研究成就奖。任国际期刊International Journal of Heat and Mass Transfer主编与Energy & Environmental Science顾问编委。长期致力热质传递理论和电池储能技术的研究，在国际学术期刊发表SCI论文360余篇，SCI引用18000余次，h-因子达73。

贾国成教授.

香港科技大学化学系的讲座教授。主要从事金属有机化学及均相催化的研究。

第一作者介绍

刘斌

2016年研究生毕业于中南大学化学与化工学院，现为香港科技大学机械与航空航天系博士研究生，主要研究方向为有机液流电池。

课题组介绍

http://zhaogroup.ust.hk/