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重磅Nature！剑桥大学Clare P. Grey教授终于将这类电池衰减的机理说清楚了！

时间：2023-12-07 来源：浏览：

重磅Nature！剑桥大学Clare P. Grey教授终于将这类电池衰减的机理说清楚了！

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收录于合集

第一作者：Mark E. Carrington, Kamil Sokołowski

通讯作者：Clare P. Grey，Oren A. Scherman

通讯单位：英国剑桥大学

【成果简介】

吡啶电解质作为一种很有前途的基于液流电池的储能候选材料，但它们的充放电过程和整体循环稳定性的机制仍不清楚。

在此，英国剑桥大学Clare P. Grey教授和Oren A. Scherman教授等人探讨了吡啶电解质在具有代表性的液流电池条件下的氧化还原行为，揭示了含有这些电解质的电池的空气耐受性，同时提供了其可逆性的通用物理化学描述符。具体来说，利用扩展的双吡啶化合物的合成库，跟踪了它们在各种电位下的性能，并将单重态-三重态自由能隙确定为成功预测以前未确定的容量衰减机制开始的描述符。同时，使用耦合操作核磁共振和电子顺磁共振波谱，解释了这些电解质的氧化还原行为，并确定了电化学性能的两种不同状态（窄能隙和宽能隙）的存在。在这两种机制中，作者将容量衰减与自由基的形成联系起来，并进一步表明π-二聚体在抑制这些自由基与痕量杂质（如溶解氧）之间的反应性方面起着决定性作用。此外，本文的研究结果与围绕π-二聚体在氧化还原液流电池中的作用的普遍观点形成鲜明对比，并能够有效地减轻氧气的容量衰减，即使长时间（几天）暴露在空气中也是如此。这些见解为新的电解质系统设计铺平了道路，在新的电解质系统中，还原物质的反应性由它们对自由基分子内和分子间配对的倾向控制，从而能够在空气中操作。

相关研究成果以“ Associative pyridinium electrolytes for air-tolerant redox flow batteries ”为题发表在 Nature 上。

【研究背景】

在氧化还原液流电池（RFB）活性材料中，基于有机分子的活性材料有望比现有的主要钒基材料具有显著的成本效益，并且通过化学多样性为提高能量密度提供了更多途径。其中，紫精（4,4’-双吡啶）在中性条件下表现出高水溶性、负电位和良好的电化学稳定性，已在各种单电子和双电子对中被证明是RFB阳极电解质。尽管有这些有前途的特性，但缺乏对它们在代表性液流电池条件下的电化学和降解过程的系统了解。迄今为止，大多数基于紫精的 RFB都是在严格的无空气条件下运行的，因此对其空气耐受性知之甚少。具体来说，RFB系统中还原型双吡啶、单自由基和二自由基的反应性对电池性能至关重要，已知这些物质很容易将电子转移到溶解氧中，这可能导致活性氧的形成，对电池组件和电解质本身有害。此外，自由基介导的组装紫精结构的形成，如π二聚体、σ二聚体和电荷转移复合物。

【核心内容】

图1. 双吡啶类电解质的合成。

图2. 还原双吡啶化合物及其性能特征和二聚体倾向。

图3. 氧对双吡啶氧化还原过程的影响及其通过π-二聚作用的抑制。

【结论展望】

综上所述，本文开发了一个广泛的双吡啶电解质合成库，从中可以看出（1）不可逆性的一般物理化学描述符，（2）两种不同的电化学性能状态和（3）由π-二聚化介导的循环和空气稳定性的改善。结果表明，还原双吡啶物质的电子转移和反应性由允许在空气中操作的自由基的分子内和分子间配对控制。这充分反映在RFB系统的空气耐受性增强上，该系统由具有宽单线态-三重态能隙（分子内电子对）、低相容化和高二聚化常数（分子间电子对）的电解质组成。这些结果与普遍的观点形成鲜明对比，即π二聚化本身会导致容量衰减。基于这些发现，本文提出了一种基于简单共轭核的分子设计，其特点是Kekulé取代模式促进了闭壳电子结构和还原电解质态下π二聚体趋势的增强，这些见解为持续改进吡啶基系统以及更广泛的RFB材料提供了一套一般原则。

【文献信息】

Mark E. Carrington, Kamil Sokołowski, Erlendur Jónsson, Evan Wenbo Zhao, Anton M. Graf, Israel Temprano, Jade A. McCune, Clare P. Grey✉Oren A. Scherman✉, Associative pyridinium electrolytes for air-tolerant redox flow batteries , 2023, Nature.

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06664-7

与正负极均有稳定界面的新型双层混合固态电解质

2023-11-29