近日，我所储能技术研究部（DNL17）李先锋研究员与张长昆研究员团队在水系有机液流电池研究中取得新进展。团队设计开发了一种不对称的芘类多电子转移活性分子材料，具有较高的电子浓度和稳定的中间半醌自由基。应用该材料的电池的能量密度达到59.6Wh/Lcatholyte，并展现出较好的耐高温热稳定性。
水系有机液流电池（AOFBs）因其资源丰富、可调性强、本征安全等性质，具有广泛的应用前景。然而，其大规模应用仍面临能量密度低、成本高，以及高浓度下电池性能急剧下降等挑战。研究发现，增加有机活性分子（ORAMs）单体的电子转移数可以成倍提升能量密度并降低电解液成本。然而，多电子转移ORAMs往往面临稳定性与溶解性的“Trade-off”效应。拓展共轭结构可通过电子离域稳定中间自由基，但引入的非电化学活性单元往往会降低分子极性并增加分子量，从而降低其在水系电解液中的溶解性。
具有拓展共轭结构的芘四酮母核可以通过烯醇化互变异构，实现可逆四电子转移。本工作通过在母核中引入单个磺酸基团降低分子平面性，增强单体的区域电荷密度分布及其与水分子间的氢键相互作用，从而提升了电解液的溶解性。同时，该分子通过共轭结构的有效离域及其在水溶液中有序的π-π堆积，稳定了中间半醌自由基，从而表现出优异的稳定性。这使得电池能量密度达到59.6Wh/Lcatholyte，且其对称电池及全电池在60℃的高温下经过数千次循环无明显容量衰减。该研究为开发高能量密度和稳定性的AOFBs活性分子提供了新思路。
水系有机液流电池是实现清洁能源高效利用的重要途径之一。近年来，李先锋和张长昆研究团队一直聚焦于该体系的研究开发，在液流电池活性分子设计合成与机理研究方面取得系列进展：提出了活性分子的原位电化学合成方法（Nature Sustain.，2024；Adv. Mater.，2024），设计了高性能的活性分子（Angew. Chem. Int. Ed.，2023；Adv. Funct. Mater.，2024；Adv. Energy Mater.，2025），基于活性分子稳定化机制开发出千瓦级有机液流电池电堆（Energy Environ. Sci.，2023），为水系有机液流电池从实验室走向实用化提供良好的借鉴。
上述成果以“Four-electron Transferred Pyrene-4,5,9,10-tetraone Derivatives Enabled High-energy-density Aqueous Organic Flow Batteries”为题，于近日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该成果的第一作者为DNL17博士研究生葛广谞。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省滨海实验室、中国科学院A类先导专项“基于高比例可再生能源的储能关键技术与示范”等项目的支持。（文/图 葛广谞、张长昆）
