高能量长寿命聚硫代苯醌液流锂电池

Redox flow batteries as one of the most promising large-scale energy storage technologies have advantages of flexibility, decoupled power generation and energy storage, scalability and safety. However, it still suffers from low energy density, short cycle life and relatively high cost. This project is going to construct high energy density and long life poly(benzoquinonyl sulfide, PBQS) redox flow lithium batteries through the following steps. Redox-active polymer PBQS with carbonyl active group are synthesized by polycondensation method. The relationship of synthesis conditions-structure-performance are revealed. Redox mediators which redox potential closely match the Femi level of redox-active polymer, is rational designed based on the redox targeting process. The kinetics between PBQS and redox mediator are investigated based on a simple diffusion-reaction model, the diffusion path and the rate constant are determined. The mechanisms between redox-active polymer and redox mediators are further investigated through in-situ characterization method and the molecular structure evolution, energy transfer and mass transport process are clarified.

液流电池具有结构设计灵活、功率输出和能量存储相互独立、储能规模大等优点，是最有前景的大规模储能设备之一。然而，液流电池仍面临着能量密度低、循环寿命短、成本高等问题。本项目拟通过以下步骤构建高能量长寿命聚合物基氧化还原液流锂电池。合成具有羰基活性基团的聚硫代苯醌活性材料，系统性考察并揭示活性材料合成条件与其结构和性能的关联规律；基于氧化还原靶向反应机理，为聚硫代苯醌活性材料匹配媒介分子，通过化学氧化还原反应实现活性材料对锂离子的脱嵌；构建简单的扩散反应模型，研究活性材料与媒介分子的反应动力学，确定扩散路径和速率常数；采用原位测试手段深入探究聚硫代苯醌活性材料与媒介分子的反应机理，阐明二者反应过程中的结构演变、能量传递与物质传输规律。

电池作为实现化学能和电能相互转化与储存的装置，是推动新能源与可再生能源发展的重要体系。在我国新时代能源政策理念的指导下，下一代电池的研发必然面向可持续、可再生、环境友好的方向发展。有机电化学活性材料主要由碳、氢、氧、氮等元素构成，展现出可再生、绿色环保、低成本、高容量和结构多样等突出优势，具有成为下一代商业化电极材料的巨大潜力。因此，为了促进有机电极材料的进一步发展，需要对其溶解性、导电性、反应机理、动力学、结构演变及性能提升等关键性科学问题进行深入研究。在本项目的支持下，申请人针对上述关键性科学问题，合成了聚1,4蒽醌（P14AQ）作为电池的负极材料，并且通过对其聚合度进行调控，达到了抑制其在电解液中溶解和提高活性位点利用率的目的，近而显著提高了电池的能量密度和循环稳定性。通过多种原位测试手段结合理论计算揭示了一系列层状结构紫罗碱离子晶体（EVI2, EV(ClO4)2, EVBr2）型锂电池正极在充放电过程中的分子和晶体结构演变。通过合成双极性盐类活性材料，设计出对称结构的水系液流电池，极大的提高了液流电池的能量密度和循环寿命。此外，实现了超小极化的蒽醌（AQ）铝离子电池的构建。目前已在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Cell Rep. Phys. Sci., Matter, Sustain. Energy Fuels等相关领域著名学术期刊上发表SCI论文7篇。这些研究结果为有机电池的设计构建、机理研究、性能提升等方面提供重要的理论指导和借鉴。