【儀表網 研發快訊】在“碳達峰、碳中和”目標驅動下，以光伏、風電為代表的清潔可再生能源成為能源結構的主體。然而，此類新能源受自然條件影響，存在間歇性、波動性和不可控等問題，嚴重制約了其大規模接入電網與廣泛應用。水系有機液流電池作為一種新型的大規模儲能技術，因其低成本、高安全性以及功率與容量可獨立設計等突出優勢，被認為是解決新能源大規模儲能瓶頸的理想方案。
紫精類活性分子以其成本低、水溶性高、氧化還原可逆性優良等特性，是目前水系有機液流電池中應用最廣的負極活性材料之一。然而，在長期充放電循環中，紫精類電解液容易發生起源不明的堿化反應，導致分子降解和容量快速衰減，嚴重影響電池的運行壽命。該問題在兩電子轉移條件下尤為突出，不僅限制了第二電子的有效利用，也制約了體系能量密度的進一步提升。因此，深入理解其堿化機制是提升紫精類水系有機液流電池綜合性能的關鍵。
針對上述問題，西安交通大學宋江選教授團隊通過構建了集原位pH監測、氣相色譜分析與電化學性能測試于一體的多模態測試平臺，首次系統揭示了紫精負極的兩階段堿化機制。研究發現，初始階段的堿化由低電位下的析氫反應主導，引起體系pH值的不可逆上升；隨后階段則源于季銨氮與吡啶氮位點之間的可逆結構轉化，造成持續的pH振蕩行為?；谶@一機理認識，團隊通過高濃度支持電解質體系驗證了調控策略的有效性，在兩電子轉移條件下實現了66.9 Wh Lanolyte-1的能量密度；經過200次循環后，電池容量保持率達 99.25% / 天，展現出優異的循環穩定性。該研究不僅深化了對紫精類電解液堿化起源的理解，也為設計高耐久性水系有機液流電池電解質提供了具有普適意義的理論框架。
該成果以《揭示水系有機液流電池紫精類負極電解質電化學堿化起源》(Uncovering the Electrochemical Origin of Alkalization in Viologen-Based Aqueous Flow Batteries)為題發表于國際權威期刊《德國應用化學》(Angewandte Chemie International Edition)上，碩士生姜子睿與博士生狄云鵬為論文共同第一作者，范豪副教授與宋江選教授為論文通訊作者，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室為論文唯一通訊單位。
近年來，團隊圍繞紫精類電解質分子的結構設計、反應機制與穩定性調控開展系統研究。近日，團隊受邀在國際知名期刊《先進材料》(Advanced Materials)上發表了題為《水性有機液流電池中紫精衍生物的進展與展望》(Viologen Derivatives in Aqueous Organic Redox Flow Batteries: Progress and Perspectives)的綜述論文。該綜述系統梳理了紫精電解質在水系有機液流電池中的最新研究進展，總結了雙極分子設計、共軛骨架擴展、位阻調控、主客體作用與取代基修飾等多種有效策略，揭示了這些方法在提升分子穩定性、溶解性和電化學可逆性方面的機制；系統介紹了原位與非原位表征技術在揭示紫精類電解質的氧化還原機理、分解路徑及聚集行為中的應用，為未來構建高穩定性、高能量密度的水系有機液流電池提供了新的思路與研究方向。博士生李宏斌(已畢業)、溫夢柯和碩士生董文璋為論文共同第一作者，范豪副教授與宋江選教授為論文通訊作者，西安交通大學金屬材料強度全國重點實驗室為論文唯一通訊單位。
該系列工作部分表征測試工作由西安交通大學分析測試共享中心與材料學院測試平臺支持，理論模擬計算工作依托西安交大高性能計算平臺完成。
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