【2024年成果总结】西安交通大学何刚教授2024年液流电池重点研究成果总结

文摘 2025-02-02 09:09 湖北

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成果总结

西安交通大学何刚教授

2024年液流电池重点研究成果总结

（感谢何刚教授课题组校稿）

作者简介

何刚，西安交通大学前沿科学技术研究院副院长，教授、前沿能源研究中心执行主任，西安市光电磁功能材料国际合作中心主任。西交大青年拔尖教授（A类）、国家级人才计划学者、仲英青年学者、小米学者，担任《中国化学快报》编委、中国化学会青年工作委员会委员、中国化学会光化学委员会委员、西安交通大学青年教师工作委员会主任等职务。何刚于2011年在陕西师范大学获得博士学位，师从房喻院士。2011至2015年在加拿大从事博士后研究。2015年加入西安交通大学，主要研究集中在含主族元素有机杂环芳烃及聚合物的设计、合成，特别是含主族元素紫罗精的合成以及该类材料在智能材料、能源及抗菌方面的应用。主持重点研发计划课题、国家自然科学基金等多项省部级项目。获得陕西青年科技奖、教育部技术发明奖、陕西省科学技术一等奖、中国专利优秀奖等。迄今在JACS、Angew. Chem.等知名学术期刊发表SCI论文100余篇，授权发明专利10余项，部分成果已经实现了产业化。本文总结了何刚教授课题组2024年度在液流电池领域的相关文章。

文献总结

1、锁定共轭平面含硫紫精，赋能水系有机液流电池 （点击论文名称查看全文赏析）

水系有机氧化还原液流电池（AORFBs）被认为有前景的大规模长时储能（LDES）技术。鉴于未修饰紫精共轭结构差和自由基不稳定的固有缺陷，严重限制了其在AORFB中的技术应用。本文通过间位改性策略，成功制备了一类新型含硫紫精[(NPr)₂SV]Cl₄，其水溶解度提升至2.39 M。其平面锁定构型（0.14°）有效调节了分子间的π-π相互作用，并抑制了氧活性。因此，所构建的水系有机氧化还原液流电池（AORFB）在超过2500次循环中的稳定性是对位取代[(NPr)₂TV]Cl₄的4.1倍。此外，0.5 M的电池在200次循环中展现出令人瞩目的99.83%容量保持率。

2、降本增效—高性能萘二酰亚胺新材料助推中性水系有机液流电池 （点击论文名称查看全文赏析）

中性水系有机氧化还原液流电池（AORFBs）可促进清洁能源从辅助能源向主导能源转变。然而，电池体系仍存在高浓度性能不足、制备成本高等问题。西安交通大学何刚教授团队通过结构改性策略，将带电官能团引入萘二酰亚胺的疏水萘核中，制备了一系列高性能萘二酰亚胺负极电解质材料。在π-π堆积和氢键网络的协同作用下，萘二酰亚胺表现出优异的结构稳定性和高度水溶性。采用水热合成技术，实现了萘二酰亚胺材料在实验级百克尺度规模制备，成本降至$0.16 g^-1，这也是迄今为止报道的最低价格。构建的全电池实现了2.4 M的高电子浓度、54.4 Ah L^-1的高容量和318 mW cm^-2的功率密度，并且在长周期循环中没有观察到明显的容量衰减。这项研究为AORFB商业化进程提供了强有力的支撑，并为中性水系有机液流电池的技术奠定了坚实的基础。

3、通过区域电荷缓冲策略实现萘二酰亚胺的一步双电子转移及中性水系有机液流电池应用

萘二酰亚胺衍生物由于其高度共轭的分子结构和稳定的双电子存储能力，在中性水性有机氧化还原液流电池（AORFB）中显示出巨大的应用潜力。然而，萘二酰亚胺的双电子氧化还原过程通常通过两个单独的步骤发生，每一步转移一个电子（两步双电子转移过程），这导致不可避免的电压和能量损失。在此，作者报告了一种新颖的区域电荷缓冲策略，利用核心取代的给电子基团来调节萘二酰亚胺的氧化还原性质，通过一步氧化还原过程实现两个电子转移（“一步双电子转移）过程。NDI-DEtOH的对称电池测试显示出优异的内在稳定性，可持续11 天，每日衰减率仅为0.11%。同时，与基于NDI/FcNCl的AORFB 相比，具有NDI-DMe/FcNCl和NDI-DEtOH/FcNCl的AORFB在50% SOC下的峰值功率密度显著提高了40%。此外，电池能效提升24%，输出功率更加稳定，能效显著提升。这些结果对于AORFB的实际应用具有重要意义。

论文列表

1. Xu Liu, Chaoyu Bao, Zengrong Wang, Chenjing Liu, Xuri Zhang, Shuran Yang, Ya-Ke Li, Gao-Lei Hou, Ni Yan*, Gang He*. Meta-substituted thienoviologen with enhanced radical stability via π-π interaction modulation for neutral aqueous organic flow batteries. Energy Storage Mater. 2024, 73, 103824.

2. Xu Liu, Heng Zhang, Chenjing Liu, Zengrong Wang, Xuri Zhang, Haiyan Yu, Yujie Zhao, Ming-Jia Li, Yinshi Li, Ya-Ling, He, Gang He*, Commercializable naphthalene diimide anolytes for neutral aqueous organic redox flow batteries . Angew. Chem. Int. Ed., 2024,63, e202405427.

3. Zengrong Wang, Xu Liu, Xuri Zhang, Heng Zhang, Yujie Zhao, Yawen Li, Haiyan Yu, Gang He*. Realizing one-step two-electron transfer of naphthalene diimides via a regional charge buffering strategy for aqueous organic redox flow batteries. Mater. Horiz.,2024, 11, 1283-1293.

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