第一作者：汪涛&夏宇恒&高晨龙&黄天煜
通讯作者：丁煜&崔铭锦&杨孟昊
通讯单位：南京大学&上海理工大学&同济大学
成果简介
水系有机氧化还原液流电池显示出用于电网规模储能的前景，但由于活性材料的稳定性和溶解度不足而受到限制。近日，南京大学丁煜&上海理工大学崔铭锦&同济大学杨孟昊提出了一种电子–空间协同效应的调控策略，可同时增强活性分子的溶解度和稳定性。基于此设计的有机液流电池具有良好的循环稳定性，并且能够在宽温域下稳定运行。将原位光谱和电化学分析与计算模型相结合，阐明了分子的氧化还原化性质，并建立了稳定性和官能团效应之间的联系。生命周期评估进一步揭示了该电池的环境足迹，展示了实际电网规模存储应用的巨大潜力。
相关成果以“Long-cycling organic flow batteries enabled by electronic-spatial synergistic modulation”为题发表在Science Advances期刊上。
感谢南京大学丁煜团队（第一作者：汪涛）供稿！
本文所用
一体化液流单电池测试系统（YTH-1）
由武汉之升新能源有限公司提供
背景分析
可再生能源并网依赖大规模长时储能，水系有机氧化还原液流电池因本征安全与原料丰富而备受关注，但其能量密度低、循环稳定性差及温度适应性差等制约了商业化。现有的活性分子存在溶解度低、副反应严重等问题，导致有机液流电池容量衰减与寿命缩短。为此，研究团队开发了一种电子-空间协同效应的调控策略，可同步提升活性分子的溶解度与稳定性，为构建高能量密度、长循环寿命的水系有机液流电池提供了可行的分子设计路径。
图文解析
图1：电子–空间协同效应的设计原则
研究团队提出电子-空间协同效应的设计原则：通过调节活性位点电子密度提升副反应能垒，同时利用极性基团优化溶剂化分布、抑制分子聚集，实现溶解度与稳定性的协同增强。
图2：活性分子的电化学性能
循环伏安曲线揭示不同修饰策略对活性分子的电化学性能影响，通过协同修饰的活性分子实现了最小HOMO-LUMO能隙、最高的溶解度与反应速率常数。此外，溶解度测试表明，该分子优于多数已报道的有机活性分子，展现出其在高能量密度液流电池中的应用潜力。
图3：分子动力学与结构
通过计算与模拟可得出相对于其他分子的聚集导致的沉淀，通过电子-空间协同效应修饰的活性分子表现出更均匀的分布。径向分布函数与静电势分析同样表明，活性分子能够通过抑制聚集、提升溶解性。电子局域化函数进一步证实其极性增强与质子亲和能力优化。
组装的全有机液流电池在长时间循环后容量保持率优异，高浓度体系同样可实现稳定长循环。同时，该电池在宽温域下仍能稳定运行且容量保持良好。与已报道体系相比，该体系在循环寿命与容量保持率方面均处于优势地位。
图4：光谱分析和副反应计算
运用原位红外光谱、紫外-可见光谱等抗干扰、非侵入式表征手段，并辅以密度泛函理论计算与分子动力学模拟，团队实时追踪了分子在氧化还原过程中的结构演化，明晰了降解路径的关键能垒，从而在分子层面验证了协同调控策略的有效性。
图5：液流电池的全生命周期评估
全生命周期评估从系统层面揭示了液流电池的环境足迹，在多个环境维度上展现出较低的影响潜力，其环境优势源于有机分子本身的低碳属性与可设计性。该评估方法为有机液流电池的绿色设计与可持续发展提供了量化依据，也体现了材料创新与环境系统工程协同推进的重要性。
核心结论
本研究建立的电子-空间协同效应的调控策略，可同步提升活性分子的溶解性与电化学稳定性。组装的全有机液流电池实现了长循环寿命，并在宽温域条件下稳定运行。原位光谱与理论计算共同揭示，活性分子因有效抑制了降解副反应，从而获得高稳定性。全生命周期评估进一步表明，该电池在多项环境指标上具有显著优势。通过电子-空间协同效应为开发高能量密度、长寿命、可持续的有机储能材料提供了通用分子设计平台，在电网级规模储能领域具有广阔应用前景。