过渡金属夹心化合物锂离子液流电池电化学储能

Rechargeable batteries stand out as one of the most promising candidates for electrical energy storage to lessen the recline on fossil fuels of the human society, reduce greenhouse gas emissions, and provide sustainable renewable energy sources. Among various battery chemistries developed, lithium redox flow battery is highly expected to overcome the bottleneck in capacity, thus would make a severe future impact on the development of renewable energy. By taking the advantages of sandwiched transition metal compounds such as diversified preparation/functionalization methods, fast redox kinetics and excellent chemical stability, this application proposes to use such compounds as the active material, aiming to improve the performance of current lithium redox flow batteries with addressing on energy density and cyclability. The relevant research on this field has been singled out as perhaps one of the most crucial need for the secure energy future, and thus would become as one of the most important tasks in the world energy economics and ecology nowadays.

储能电池技术是摆脱人类社会发展对化石能源的依赖、减少温室气体排放，以及解决清洁能源可持续性供给等问题的重要途径。有关高效储能电池的相关研究已成为当前储能电池研究领域的科学前沿。作为重要的电化学储能技术之一，液流电池因其模块化设计、较长的工作寿命和较高的安全性能，有望推动可再生能源存储和相关技术的发展。锂离子液流电池是最新发展起来的一种液流电池技术，它综合了液流电池和锂离子电池的优点。本申请针对目前锂离子液流电池研究中电池能量密度小、循环稳定性较差的关键问题，提出利用过渡金属夹心化合物作为锂离子液流电池活性材料的创新研究思路。拟通过利用过渡金属夹心化合物大范围可调的氧化还原电位、较大的氧化还原反应速率和优良的化学稳定性，发展适用于具有较高能量密度和循环稳定性的锂离子液流电池活性材料体系。此方面的研究将为实现高能量密度液流电池提供理论和实验依据，具有重要现实意义。

储能电池是摆脱目前社会发展对化石能源的依赖、减少二氧化碳等温室气体排放，以及解决清洁能源可持续性供给问题的重要途径之一，相关研究已成为当前能源研究领域的重要前沿。而利用锂离子液流电池进行电化学储能的策略是缓解当前无机类材料种类有限、部分元素资源匮乏且空间分布不均的重要方案之一。本项目针对现有锂离子液流电池体系中活性材料溶解度、利用率比较低，电化学过程中活性材料稳定性不强的瓶颈问题，提出利用过渡金属夹心化合物作为锂离子液流电池活性材料的研究思路。通过利用过渡金属夹心化合物较大的氧化还原反应速率、较低的氧化还原反应活化能、合适的氧化还原电位，以及稳定的分子构型和易于化学修饰，发展具有较高能量密度和稳定循环性能的锂离子液流电池活性材料体系。本项目的研究主要取得了以下三方面成果：（1）发展了过渡金属夹心化合物的设计与合成方法。一方面，我们发展了用于液流电池活性材料的夹心化合物结构设计和可控制备的方法，并成功将所制备的材料用于高性能液流电池的构筑；另一方面，我们提出了构筑“人工双极性分子”策略，避免了传统液流电池由于正负两极采用不同种类活性材料而导致的电解液交叉污染和活性材料“穿梭效应”等问题；（2）明确功能团对活性材料热力学／动力学性质和电化学过程中影响其电化学效能的规律。系统研究了芳香性、取代基效应、空间位阻效应、交叉共轭效应、分子内相互作用和分子间相互作用对活性材料电位、稳定性、电子转移动力学常数、电解液传质过程的影响，明确了构效关系和反应机理；（3）掌握高效锂离子液流电池的构建方法。着重研究了基于深度共融溶剂、室温有机熔融盐和“人工双极性分子”为电解液或活性材料的流电池构筑及电化学储能特性，为发展新型高效的新型液流电池提供了材料基础、实验依据和技术手段。