余桂华、赵宇团队Angew：“双氧化还原共熔电解液”助力高性能非水有机液流电池

相比于传统液流电池，非水体系的有机液流电池的工作电压能够克服水分解电压的限制，理论能量密度可以更高。然而在实际应用中，非水有机液流电池面临诸多问题：有机活性分子溶解度低、正负极电解液相互污染、电解液及隔膜离子电导率低等，这些因素都降低了非水有机液流电池的实际操作电流、功率密度和能量密度。如何优化电解液组分，提升非水有机液流电池的性能是研究者亟待解决的问题。

图1. 双氧化还原共熔电解液的构建高性能有机液流电池。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授（点击查看介绍）团队与苏州大学的赵宇教授（点击查看介绍）合作，开发了一种被称作“双氧化还原共熔电解液（biredox eutectic electrolyte）”的高浓度有机电解液。直接利用正负极有机活性分子间的分子间相互作用力，在室温下实现高浓度、双极性的共熔电解液。该电解液不仅能够提高活性分子的浓度，而且能够有效缓解正负极电解液的相互污染。他们基于N-丁基-邻苯二甲酰亚胺（BuPh）和1,1-二甲基二茂铁（DMFc）活性分子制备了这种双氧化还原共熔电解液。理论分析发现BuPh和DMFc分子之间形成了强的π-π和Van Der Waals相互作用力。进一步电池测试表明在1.0 M浓度下电池的功率密度可达192 mW cm^-2，远优于文献报道的非水有机体系。在大电流60 mA cm^-2下完全充放电循环500圈后，电池的容量依然稳定在72%，库伦效率和能量效率分别为93%和51%。在超高浓度下（2 M）双氧化还原共熔电解液依然能够保持稳定的效率和容量输出。

图2. a) 基于BuPh和DMFc制备双氧化还原共熔电解液的策略。b) 双氧化还原共熔电解液的相图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

图3. a) 0.1 M和1.0 M电解液的极化曲线。b) 0.1 M电解液不同电流密度下的充放电曲线。c) 0.1 M浓度下电池的循环稳定性和效率值。d) 1.0 M浓度下电池的效率值。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。

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Biredox Eutectic Electrolytes Derived from Organic Redox-Active Molecules: High-Energy Storage Systems

Changkun Zhang, Yumin Qian, Yu Ding, Leyuan Zhang, Xuelin Guo, Yu Zhao, Guihua Yu

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 7045-7050, DOI. 10.1002/anie.201902433

余桂华教授团队简介

余桂华教授团队近些年致力于新型液流电池的研究和设计，综合了化学科学、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材料的物理/化学特性的优化，利用共熔体系独特的优势构建高浓度的电解液，同时结合分子水平的电化学反应机理和反应动力学研究，借助理论的计算分析，发展了一系列新型有机液流电池、仿生液流电池。在液流电池领域的更多重大开创性工作和综述文章可见：

1. A chemistry and material perspective on lithium redox flow batteries towards high-density electrical energy storage. Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 7968.

2. Molecular engineering of organic electroactive materials for redox flow batteries. Chem. Soc. Rev., 2018, 47, 69.

3. A high-performance all-metallocene-based, non-aqueous redox flow battery. Energy Environ. Sci., 2017, 10, 491.

4. A reversible Br₂/Br  redox couple in the aqueous phase as a high-performance catholyte for alkali-ion batteries. Energy Environ. Sci., 2014, 7, 1990.

5. A Low-Cost and High-Energy Hybrid Iron-Aluminum Liquid Battery Achieved by Deep Eutectic Solvents. Joule, 2017, 1, 623.

6. Sustainable Electrical Energy Storage through the Ferrocene/Ferrocenium Redox Reaction in Aprotic Electrolyte. Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 11036.

7. A Bio-Inspired, Heavy-Metal-Free, Dual-Electrolyte Liquid Battery towards Sustainable Energy Storage. Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 4772.

8. A Sustainable Redox-Flow Battery with an Aluminum-Based, Deep-Eutectic-Solvent Anolyte. Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 7454.

9. Exploring Bio-inspired Quinone-Based Organic Redox Flow Batteries: A Combined Experimental and Computational Study. Chem, 2016, 1, 790.

10. Enabling Graphene-Oxide-Based Membranes for Large-Scale Energy Storage by Controlling Hydrophilic Microstructures. Chem, 2018. 4, 1035.

11. Highly Concentrated Phthalimide-Based Anolytes for Organic Redox Flow Batteries with Enhanced Reversibility. Chem, 2018, 4, 2814.

12. A Membrane-Free Ferrocene-Based High-Rate Semiliquid Battery. Nano Lett., 2015, 15, 4108.

13. Insights into Hydrotropic Solubilization for Hybrid Ion Redox Flow Batteries. ACS Energy Lett., 2018, 3, 2641.

14. Eutectic Electrolytes for High-Energy-Density Redox Flow Batteries. ACS Energy Lett., 2018, 3, 2875.

15. Progress and Prospects of Next-Generation Redox Flow Batteries. Energy Storage Mater., 2018, 15, 324.