西安交大在中性水系有機液流電池領域取得關鍵突破，助力低成本長壽命儲能技術發展
隨著全球可再生能源的快速普及，開發低成本、長壽命、高安全性的大規模儲能技術成為實現碳中和目標的核心環節。中性水系有機液流電池（AORFBs）因其分子結構可調、環境友好等特性，被視為極具潛力的儲能解決方案。其中，萘酰亞胺（NDI）衍生物憑借高度π-π共軛體系和雙電子存儲能力，成為理想的電解液材料候選。然而，該類材料在循環過程中面臨側鏈與酰亞胺環易受OH?親核攻擊分解、自由基態分子聚集導致粘度升高等瓶頸，制約了其實際應用。
近日，西安交通大學前沿科學技術研究院何剛教授團隊針對上述挑戰，創新性提出離子協同修飾策略，通過常壓合成法開發出一系列高穩定性萘二酰亞胺兩性離子衍生物，包括(CBu)?NDI、(SPr)?NDI和(SPrOH)?NDI。單晶結構分析表明，(CBu)?NDI分子間側鏈的靜電相互作用形成了平行交錯的π-π堆疊模式（間距3.45Å，位移角42.8°），有效抑制了自由基態下的分子聚集，同時維持了高水溶性（1.49M）。理論計算顯示，陰離子的引入顯著降低了C=O鍵的親核福井函數值（f+）和核獨立化學位移值[NICS (1)]，增強了材料抗OH?攻擊的穩定性。此外，支持電解質中K?與分子的相互作用通過單點能計算得以闡明，揭示了電池循環過程中的穩定機制。
近日，西安交通大學前沿科學技術研究院何剛教授團隊針對上述挑戰，創新性提出離子協同修飾策略，通過常壓合成法開發出一系列高穩定性萘二酰亞胺兩性離子衍生物，包括(CBu)?NDI、(SPr)?NDI和(SPrOH)?NDI。單晶結構分析表明，(CBu)?NDI分子間側鏈的靜電相互作用形成了平行交錯的π-π堆疊模式（間距3.45Å，位移角42.8°），有效抑制了自由基態下的分子聚集，同時維持了高水溶性（1.49M）。理論計算顯示，陰離子的引入顯著降低了C=O鍵的親核福井函數值（f+）和核獨立化學位移值[NICS (1)]，增強了材料抗OH?攻擊的穩定性。此外，支持電解質中K?與分子的相互作用通過單點能計算得以闡明，揭示了電池循環過程中的穩定機制。
該研究成果顯著提升了NDI基電解液的綜合性能：所構建的電池總電解質成本低至$6.58?Ah?¹，在2M電子濃度下經5070次循環后容量保持率仍達100%，突破了現有NDI材料循環壽命短的難題。其優勢包括：
- 低成本與工藝友好性：常壓合成、簡單后處理，適合大規模制備；
- 高穩定性：通過離子協同作用抑制分子分解與聚集，解決了堿性環境下的材料退化問題；
- 高效儲能特性：高溶解度與長循環壽命，滿足大規模儲能系統對經濟性和可靠性的需求。
相關成果以《協同離子修飾策略提升萘酰亞胺兩性離子的穩定性用于經濟高效的中性水系有機液流電池》為題發表于國際權威期刊《國家科學評論》（National Science Review）。西安交通大學前沿院張恒博士生為第一作者，何剛教授為通訊作者，研究得到國家自然科學基金、陜西省科技創新專項等項目資助。
此項突破為中性水系有機液流電池的商業化應用奠定了關鍵材料基礎，有望推動可再生能源儲能技術向低成本、長壽命方向邁進，為“雙碳”目標的實現提供重要技術支撐。
此項突破為中性水系有機液流電池的商業化應用奠定了關鍵材料基礎，有望推動可再生能源儲能技術向低成本、長壽命方向邁進，為“雙碳”目標的實現提供重要技術支撐。