高能量密度非水氧化还原液流电池的研究

Redox flow battery is regarded as one of the most promising large-scale energy storage technology for power grid applications, and is also an important route to connect green renewable energy to the grid. This project focuses on the new generation high energy density non-aqueous redox flow battery using the metal-complex and organic compound as active species in organic solvent, together with appropriate supporting electrolyte. The high electrochemical activity and high solubility metal-complex will be obtained using the appropriate organic ligand based on the features of transition metal ion. Using the organic molecules benzophenone and 2,5-di-tert-butyl-1,4-dimethoxybenzene as the basic molecular structure model, a high energy density non-aqueous redox flow battery based on the organic compound as the active material will be developed by improving/modifying the molecular structure according to the method of molecular engineering. The electrochemical reaction mechanism will be investigated by cyclic voltammetry, AC impedance and charge-discharge testing, and will be verified by molecular modeling and theoretical calculation, providing the theoretical basis for the optimization of the operating conditions of the battery.

液流电池被认为是有可能达到电网规模的最有前景的大规模储能技术之一，也是实现绿色可再生能源接入电网的重要途径。本项目通过对液流电池反应机理的深入研究，以金属配合物和有机物为活性物质，有机溶剂作为溶剂，配以合适的支持电解质，开发出新一代高能量密度的非水液流电池；根据过渡金属中心离子的特点，采用适当的有机配体，获得高电化学活性和高溶解度的配合物；以有机分子二苯甲酮和2,5-二叔丁基1,4-二甲氧基苯为基本模型，通过分子工程学手段对其进行修饰/改性研究，开发出高能量密度的电解液；采用循环伏安、交流阻抗和充放电测试等手段对电解液、电极界面和电池反应跟踪研究，提出相关过程的反应机理，并用分子模拟和理论计算等手段进行验证，为电池的优化奠定理论基础。

氧化还原液流电池是一种具有前景的大规模储能技术。目前一些水系液流电池已经实现商业化应用，但是较低的能量密度和高昂的成本限制了其进一步大规模推广。非水液流电池因具有高能量密度和广阔的活性材料选择范围备受研究者们关注。然而目前非水液流电池仍然处于研究初期，存在能量密度不高，功率密度低，循环稳定性差等问题。本项目致力于非水液流电池体系活性物质的开发，并通过分子工程手段进行修饰，实现高电化学活性和高溶解度的特性，同时解决电池循环稳定性差的问题。另外，设计开发了一系列先进的隔膜，以进一步优化非水体系氧化还原液流电池的性能。.整个项目取得多项研究成果，包括：（1）通过对金属配合物的筛选和研究，开发了一种全铁体系非水液流电池，正极活性物质采用离子液体修饰的二茂铁，负极活性物质采用乙酰丙酮铁。（2）通过对有机活性物质的筛选以及对电解液的优化，开发了一系列高性能全有机液流电池。包括基于二苯甲酮/烷氧基苯，偶氮苯/烷氧基苯以及苯并噻二唑/烷氧基苯的非水液流电池体系。（3）通过分子工程手段对有机电活性分子进行修饰，优化其氧化还原电位、溶解度以及稳定性，设计了一系列先进的活性物质，进一步提高了电池性能。包括基于修饰的二苯甲酮，硝基苯以及蒽醌衍生物的非水液流电池体系。（4）通过分子修饰将电活性的正极和负极材料共价连接，设计了二茂铁/蒽醌基双氧化还原电活性分子与离子型二茂铁/邻苯二甲酰亚胺基双氧化还原电活性分子，构建对称液流电池体系以减轻电解液的交叉。（5）开发了一系列复合膜，包括二维金属有机框架纳米片和二维蛭石纳米片改性的多孔隔膜，以及基于金属有机框架柔性自支撑混合基质隔膜，以进一步提高非水体系液流电池的性能。.在项目执行期内，发表学术论文14篇，培养博士后、博士和硕士研究生8人。承办“第十八届全国催化学术会议”，“ICEC&EECAT 2018”以及“ITICAT 2019”国际学术会议。此外，组织国际学术刊物Current Opinion in Chemical Engineering的液流电池特刊。