西湖大學最新研究：用氨基酸降低電池容量衰減 安全性較高的儲能系統

為滿足人類能源需求，發展清潔的可再生能源已是大勢所趨。而高效地利用可再生能源，又依賴儲能技術的發展。

記者1月20日從西湖大學了解到，西湖大學理學院特聘研究員王盼課題組及其合作團隊利用氨基酸發展了新型仿生設計水溶性吩嗪類化合物，賦予水系有機液流電池體系極低的電池容量衰減。

該研究提供了一種新型高穩定性水系有機分子結構骨架設計策略，為進一步設計構建高性能水系液流電池提供了重要理論依據。這一最新成果日前作為封面文章發表于《德國應用化學》期刊。

安全性較高的儲能系統

“作為液流電池的一種，水系有機液流電池使用水作為介質，是具有較高安全性的儲能系統。”王盼說，液流電池可以將電能轉化為化學能進行儲存，它通過活性物質在電極表面發生氧化還原反應來儲存和釋放能量。

研究人員介紹，水系有機液流電池的活性材料，來源于自然中儲量豐富的碳、氮、氧等元素，這些元素在分子結構上可編輯可調節，能夠通過有機官能團得失電子的氧化還原行為，完成化學能與電能的相互轉化。

而有機分子中的多電子轉移及其多樣的可設計性，賦予了水系有機液流電池獨特靈活的優勢，使之成為液流電池發展的新趨勢。

“在水系液流電池領域，一系列基于蒽醌、紫羅堿、二茂鐵、氮雜芳環等有機結構骨架的分子，已展現了較為良好的性能和應用前景。”王盼說，然而，目前絕大部分研究工作都是基于商業可得的已知功能染料分子;基于吩嗪類有機結構骨架的衍生物，在前序報道中僅有幾個例子，均存在水溶性差和不穩定等問題，且該類化合物衰減機理尚不明確。

低衰減的新紀錄保持者

為改進現狀，西湖大學研究人員將目光投向自然界來源廣泛的氨基酸。

該課題組將氨基酸作為功能化基團引入吩嗪骨架，利用氨基酸的水溶性特點及給電子特性，合成了一系列水溶性吩嗪類衍生物(AFP)。之后，研究人員系統地探究了“AFP家族”不同成員——即不同支鏈及不同位置的氨基酸——對水系液流電池性能的影響。

“研究表明，1,6-AFP具有穩定的氧化態和還原態;1,8-AFP、2,7-AFP同樣具有穩定的氧化態，但其還原態易于發生氫的互變異構，失去氧化還原活性并進一步降解，在電池測試中其容量迅速衰減。”王盼介紹。

課題組還對該類化合物的衰減機制做了詳盡分析。研究發現，明星分子1,6-AFP在pH8,1M電子濃度下，在水系液流電池長時間的恒壓充放循環過程中表現優異。

“在實驗測試99天之后，通過核磁及電化學手段并沒有觀察到任何化學分解。該液流電池具有極低的容量衰減(0.0015%每天)，在長時間充放電的狀態下，僅表現出每年0.5%的衰減。”王盼說。

研究人員表示，這是目前所有報道中，水系有機液流電池低衰減的新紀錄保持者，在水系儲能系統中具有重要應用價值。(通訊員 徐 珊 記者 劉園園)