UT Austin余桂华团队Chem. Soc. Rev.：新型有机液流电池材料的分子工程设计

人类社会的可持续性发展依赖于对新能源的有效利用。相比于传统的化石能源，太阳能、潮汐能、风能等环境友好的可再生能源受到了越来越多的关注，然而基于其随机性、间歇性等特点，人们又需要发展高效快捷的储能技术以满足人类的能源需求。不同于传统的燃料电池（活性物质与电极分离）和蓄电池（电化学可逆性），液流电池的活性物质以液态形式存在并分装在储液罐中，因此同时具有可分离的电极活性物质和可逆的充放电性能，综合了能量转换和能量存储的优势，具有大范围的能量/功率调节自由度和可扩展性，被视为大规模储能的理想技术。然后，传统的液流电池依赖于无机活性材料，其氧化还原反应通常基于金属价态的变化进行设计。一方面，其电化学性能受限于无机活性材料本征的化学/物理属性；另一方面，传统液流电池的广泛利用还受限于重金属活性物质的资源和环境方面的影响。因此，开发新型、廉价、环保、高效的有机液流电池技术为克服传统无机液流电池的缺陷提供了新的思路。

近日，德州大学奥斯汀分校的余桂华教授（点击查看介绍）带领团队在国际权威综述刊物Chemical Society Reviews 上在线发表了关于有机液流电池的专题综述论文，系统总结了分子工程的方法对电化学活性物质进行性质调控，包括溶解度、氧化还原电位、分子尺度和稳定性等。

他们通过功能性导向的有机化学合成，一方面有机活性分子的溶解度可以通过取代基与溶剂之间的极性差异来调控（下图a）；另一方面，有机电对的氧化还原电势受到取代基诱导效应的影响（下图b），并可进一步通过Hammett方程量化；同时，有机分子的尺度调控可以通过二聚体、低聚体和多聚体的化学合成来实现（下图c）；另外，该综述还总结了综合电化学分析和理论模拟计算的方法对有机分子稳定性的表征与预测。基于水系和非水系液流电池的性能指标，包括能量密度、功率密度、库仑效率和生产成本等，该文章详细论述了对溶剂和支持电解质的筛选，同时考虑溶剂的介电常数、粘度、偶极矩和电化学窗口对液流电池电化学性能的影响。

（a）常见有机基团的极性顺序；（b）常见有机基团诱导效应de 顺序；（c）有机活性分子的尺度调控。

随后，该综述系统介绍了一系列基于羰基、自由基、高分子和金属配合物的液流电池活性材料的分子调控与性能优化，最后讨论了有机液流电池技术当前面临的挑战，并展望了该领域的发展前景。

基于醌的有机活性分子库（羰基类）

基于二茂铁的有机活性分子库（金属配合物类）

余桂华教授课题组专注于从化学和材料的角度设计新型液流电池，综合化学科学、材料科学和能源科学的跨学科研究，包括通过有机合成对活性物质的物理/化学性能进行优化，结合分子水平的电化学反应机理和反应动力学研究，辅以高性能的理论计算模拟，发展了一系列新型的有机液流电池、仿生液流电池。他们把“原子经济性”的原则扩展到能源领域，为下一代绿色储能材料的开发开创了新的方法，并对氧化还原反应电对的分子设计提供了新的理念。

该论文的第一作者为德州大学材料科学与工程专业的博士生丁煜、博士后张长昆和博士生张乐园，通讯作者为余桂华教授。绿色储能器件是能源存储方向重要和活跃的领域之一，余桂华教授课题组利用理论和实验结合的方法、跨学科合作研究的优势，在该领域取得了一系列的前沿研究成果。相关工作已发表在Chem. Soc. Rev.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Nano Lett.、Joule 等著名刊物上，并被多次选作封面文章。

该论文作者为：Yu Ding, Changkun Zhang, Leyuan Zhang, Yangen Zhou and Guihua Yu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Molecular engineering of organic electroactive materials for redox flow batteries

Chem. Soc. Rev., 2017, DOI: 10.1039/c7cs00569e

导师介绍

余桂华

http://www.x-mol.com/university/faculty/37838

课题组链接

http://yugroup.me.utexas.edu/