西安交通大学何刚教授
2025年液流电池重点研究成果总结
（感谢西交大刘旭博士供稿）
作者简介
何刚，男，西安交通大学教授。申请人2015年入选国家级青年人才项目、西安交通大学青年拔尖人才计划（A类）、仲英青年学者、小米学者，担任《Chinese Chemical Letters》编委、《Aggregate》青年顾问编委、《应用化学》青年编委、《Dyes and Pigments》客座编辑、中国化学会青年工作委员会委员、中国化学会光化学专业委员会委员、中国化学会胶体与界面专业委员会青委会委员、中国感光学会青年理事、西安交通大学青年教师工作委员会主任等。担任陕西省新概念传感器及分子材料重点实验室主任。牵头组建了清洁能源高效利用关键材料陕西省高校工程研究中心、陕西省新型功能材料与器件创新引智基地、西安市光电磁功能材料国际科技合作基地并担任主任。迄今为止，申请人共发表研究论文100余篇。独立工作以来，以通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、CCS Chem.、Nat. Commun.等主流期刊发表论文 78 篇，申请发明专利 22 项，授权 15 项（其中 2 项已实现转化），并参与编写《薄膜基荧光传感技术与应用》专著 1 部。获2024年陕西高等学校科学技术研究优秀成果特等奖（排名第二）、2023年陕西省青年科技奖、2023年教育部高等学校科学研究优秀成果奖技术发明一等奖（排名第二）、2022年陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖（排名第一）、2015年中国专利优秀奖（排名第二）等多项奖励。2019年起代言中国化学会“中国青年化学家元素周期表”中的碲（Te）元素。主持科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、企业横向等多项科研项目。
文献总结
1、祝贺我司客户西交大何刚团队发表NSR：协同离子改性萘酰亚胺构筑长循环稳定性水系液流电池（点击论文题目查看全文赏析）
第一作者：张恒
通讯作者：何刚
通讯单位：西安交通大学
感谢西交大何刚教授团队（第一作者：张恒）校稿！
本研究创新性的提出了一种离子协同策略，用常压法合成了一类具有高稳定性的萘酰亚胺两性离子衍生物[(CBu)2NDI，(SPr)2NDI，(SPrOH)2NDI]。单晶结构显示，分子间侧链的静电相互作用力致使(CBu)2NDI形成平行交错的π-π堆叠模式（间距3.45 Å，位移角42.8°），有效抑制了高活性自由基态下的分子聚集，进而在自由基状态下保持较高的水溶性。通过核无关化学位移值[NICS(1)]以及福井函数的计算，证明了阴离子的引入抑制了OH–亲核反应导致的电解质材料的分解。此外，单点能的计算阐明了支持电解质中K+在电池循环过程中的稳定机制。该策略使(CBu)2NDI的水溶性高达1.49 M，所构筑的电池总电解质成本低至$6.58·Ah⁻1，在2 M电子浓度下经长时间循环无明显的容量衰减。这些发现促进了高性能中性水系有机液流电池的发展，并展示了其大规模商业应用的潜力。
相关成果以“Synergistic ionic modification strategy enhances the stability of naphthalene diimide zwitterions for cost-effective aqueous organic redox flow batteries”为题发表在National Science Review期刊上。
2、祝贺我司用户西安交通大学何刚团队发表ESM：多氢键咪唑官能化酰亚胺构筑双电子存储水系有机液流电池（点击论文题目查看全文赏析）
第一作者：张旭日&刘旭
通讯作者：何刚
通讯单位：西安交通大学
感谢西交大何刚教授团队（第一作者：张旭日&刘旭）校稿！
现有的萘酰亚胺基电解质具有双电子转移性能。然而，它们仍然存在稳定性不足、水溶性差等诸多挑战。因此发展电化学稳定，高水溶性的萘酰亚胺衍生物可以有效的大幅度提升电池性能，为中性水系有机液流的商业化提供进一步的可能。基于以上考虑，本研究通过对萘酰亚胺进行咪唑功能化修饰，报道了一系列萘酰亚胺衍生物。该类化合物具有稳定双电子转移的性能，以及高的水溶性1.43 M，其理论的电池能量密度可以达到76.65 Ah/L。通过对称电池测试3000圈循环测试，该类萘酰亚胺衍生物表现出了极好的电化学稳定性。与咪唑修饰的哌啶氮氧衍生物组成的中性水系有机液流电池在1 M浓度（2 M电子浓度）进行测试，经过1000圈的循环测试，每周期容量衰减率为0.0195%。该类萘酰亚胺衍生物表现出超高稳定性的同时具有成本低廉，合成简单的优点。该工作对中性水系有机液流电池的商业化发展做出了重要贡献。
相关成果以“Multi-hydrogen bond engineered imidazolium-functionalized naphthalene diimides for stable two-electron storage in aqueous organic flow batteries”为题发表在Energy Storage Materials期刊上。
3、祝贺我司用户西交大何刚团队发表Angew：质子抗性N-杂环连接TEMPO正极电解质构筑长循环中性有机液流电池（点击论文题目查看全文赏析）
第一作者：赵玉婕&刘旭
通讯作者：何刚
通讯单位：西安交通大学
感谢西交大何刚教授团队（第一作者：赵玉婕）供稿！
2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基（TEMPO）作为一种中性水系有机液流电池（AORFB）阴极电解液被广泛研究，当通过4位亲水基团取代增强其溶解度时，易发生质子诱导的开环降解反应，引发容量快速衰减。针对这一问题，本研究通过N-乙酰氨基桥接与含氮杂环嫁接策略合成了五种TEMPO衍生物，揭示了芳香杂环功能化能促进氧化还原循环过程中的电荷再分布，同步提升氧化还原动力学性能与分子稳定性。其中，二甲氨基吡啶功能化TEMPO（DMA-TEMPO）因增强的π共轭效应和碱性，可有效抑制质子驱动的开环反应，显著提高结构耐受性。组装的2 M全电池在100次循环中容量保留97%。相较于PA-TEMPO，其循环寿命提升达18倍。本研究为开发抗酸性阴极电解液提供了普适性分子设计策略，有力推动了长寿命AORFB的实际应用。
相关成果以“Proton-resistant N-heterocycle-linked TEMPO catholytes for long-lasting neutral aqueous organic redox flow batteries”为题发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。
4、祝贺我司用户西交大何刚团队发表JES：羟基二茂铁作为阴极电解质构筑高溶解性与稳定性的水系有机液流电池（点击论文题目查看全文赏析）
第一作者：王少鹏&张旭日
通讯作者：何刚&刘旭&范新会
通讯单位：西安工业大学&西安交通大学
感谢西交大何刚教授团队（第一作者：张旭日）供稿！
中性水系有机液流电池（AORFBs）因其安全性、模块化设计及可扩展性，在提升电网运行效能方面的潜力日益凸显。然而，AORFBs的规模化应用仍面临严峻挑战，尤其体现在稳定阴极电解液分子的设计与制备层面。为此，本研究开发了兼具水溶性与低膜渗透特性的羟基二茂铁基阴极电解材料FcNOH与FcN(OH)2，其溶解度分别达到2.1 M和1.6 M。当匹配Dex-Vi（螺旋糖紫精）阳极电解液时，电池体系展现出优异稳定性：1.5 M FcNOH/Dex-Vi基AORFBs在75次循环后容量保持率达99.76%，而1.0 M FcN(OH)2/Dex-Vi基体系在50次循环后仍保持99.36%的容量。本研究不仅揭示了FcNOH和FcN(OH)2在AORFB体系中的电化学行为与充放电特性，更为开发高稳定、高效率AORFB技术提供了重要的机理认知。
相关成果以“A highly solubility and stability of hydroxyl-ferrocene as catholyte in neutral aqueous organic redox flow battery”为题发表在Journal of Energy Storage期刊上。
5、祝贺我司用户西安交通大学何刚团队发表Angew：机器学习指导的手性紫精溶剂化工程赋能中性水系有机液流电池（点击论文题目查看全文赏析）
第一作者：刘旭
通讯作者：何刚
通讯单位：西安交通大学
感谢西交大何刚教授团队（第一作者：刘旭）校稿！
本研究首次提出了一种基于手性调节和氢键介导的溶剂化工程策略，利用邻位二羟基导向的氢键网络重构溶剂化结构，成功合成了具有差异化水溶性的手性紫精阳极电解质（R/S–异构体：2.75 ± 0.01 M；RS–消旋体：1.66 M）。这种氢键诱导的溶剂化“铠甲”赋予了电解质pH自适应的亲核屏蔽能力和碱性耐受性（pH < 11），从根本上抑制了氢氧根离子介导的降解路径。对称电池实现了卓越的循环耐久性——在3652个循环（57天）中保持了99.42%的容量保持率。此外，在1 M R/DMAP-TEMPO基水系有机液流电池（AORFBs）中验证时，该电解质在超过500个循环中实现了100%的容量保持率，显著优于阳离子[(NPr)2V]Cl4（94.92%）和阴离子(SPr)2V（65.49%）类似物。本工作通过手性调节的氢键介导溶剂化工程策略，验证了Kg-Ah级电池技术，为中性AORFBs从分子设计到工程化转型提供了完整的理论基础和技术指导。
相关成果以“Machine learning-guided solvation engineering of chiral viologens for durable neutral aqueous organic flow batteries”为题发表在Angewandte Chemie International Editione期刊上。
论文列表
[1].Heng Zhang, Chenjing Liu, Zengrong Wang, Xu Liu, Zhikang Han, Xuri Zhang, Yawen Li, Qing Zhao, Gang He, Synergistic ionic modification strategy enhances the stability of naphthalene diimide zwitterions for cost-effective aqueous organic redox flow batteries, 2025, National Science Review.
DOI: 10.1093/nsr/nwaf123
[2]. Xuri Zhang, Xu Liu, Zengrong Wang, Chenjing Liu, Heng Zhang, Haiyan Yu, Qing Zhao, Gang He, Multi-hydrogen bond engineered imidazolium-functionalized naphthalene diimides for stable two-electron storage in aqueous organic flow batteries, 2025, Energy Storage Materials.
DOI: 10.1016/j.ensm.2025.104527
[3]. Yujie Zhao, Xu Liu, Zengrong Wang, Jiapeng Huang, Junjie Huang, Xiaotong Deng, Xuri Zhang, Heng Zhang, Haiyan Yu, Ya-Ke Li, Gao-Lei Hou, Gang He, Proton-resistant N-heterocycle-linked TEMPO catholytes for long-lasting neutral aqueous organic redox flow batteries, 2025, Angewandte Chemie International Edition.
DOI: 10.1002/anie.202512613
[4]. Shaopeng Wang, Xuri Zhang, Haiyan Yu, Zengrong Wang, Heng Zhang, Tadele Hunde Wondimu, Puiki Leung, Xu Liu, Xinhui Fan, Gang He, A highly solubility and stability of hydroxyl-ferrocene as catholyte in neutral aqueous organic redox flow battery, 2025, Journal of Energy Storage.
DOI: 10.1016/j.est.2025.118235
[5]. Xu Liu, Haiyan Yu, Xiaotong Deng, Jian-Yue He, Xuri Zhang, Junjie Huang, Zengrong Wang, Chenjing Liu, Xin Zhang, Gang He, Machine learning-guided solvation engineering of chiral viologens for durable neutral aqueous organic flow batteries, 2025, Angewandte Chemie International Edition.
DOI: 10.1002/anie.202522442