西安交大在中性水系有机液流电池领域取得关键突破，助力低成本长寿命储能技术发展
随着全球可再生能源的快速普及，开发低成本、长寿命、高安全性的大规模储能技术成为实现碳中和目标的核心环节。中性水系有机液流电池（AORFBs）因其分子结构可调、环境友好等特性，被视为极具潜力的储能解决方案。其中，萘酰亚胺（NDI）衍生物凭借高度π-π共轭体系和双电子存储能力，成为理想的电解液材料候选。然而，该类材料在循环过程中面临侧链与酰亚胺环易受OH⁻亲核攻击分解、自由基态分子聚集导致粘度升高等瓶颈，制约了其实际应用。
近日，西安交通大学前沿科学技术研究院何刚教授团队针对上述挑战，创新性提出离子协同修饰策略，通过常压合成法开发出一系列高稳定性萘二酰亚胺两性离子衍生物，包括(CBu)₂NDI、(SPr)₂NDI和(SPrOH)₂NDI。单晶结构分析表明，(CBu)₂NDI分子间侧链的静电相互作用形成了平行交错的π-π堆叠模式（间距3.45Å，位移角42.8°），有效抑制了自由基态下的分子聚集，同时维持了高水溶性（1.49M）。理论计算显示，阴离子的引入显著降低了C=O键的亲核福井函数值（f+）和核独立化学位移值[NICS (1)]，增强了材料抗OH⁻攻击的稳定性。此外，支持电解质中K⁺与分子的相互作用通过单点能计算得以阐明，揭示了电池循环过程中的稳定机制。
近日，西安交通大学前沿科学技术研究院何刚教授团队针对上述挑战，创新性提出离子协同修饰策略，通过常压合成法开发出一系列高稳定性萘二酰亚胺两性离子衍生物，包括(CBu)₂NDI、(SPr)₂NDI和(SPrOH)₂NDI。单晶结构分析表明，(CBu)₂NDI分子间侧链的静电相互作用形成了平行交错的π-π堆叠模式（间距3.45Å，位移角42.8°），有效抑制了自由基态下的分子聚集，同时维持了高水溶性（1.49M）。理论计算显示，阴离子的引入显著降低了C=O键的亲核福井函数值（f+）和核独立化学位移值[NICS (1)]，增强了材料抗OH⁻攻击的稳定性。此外，支持电解质中K⁺与分子的相互作用通过单点能计算得以阐明，揭示了电池循环过程中的稳定机制。
该研究成果显著提升了NDI基电解液的综合性能：所构建的电池总电解质成本低至$6.58・Ah⁻¹，在2M电子浓度下经5070次循环后容量保持率仍达100%，突破了现有NDI材料循环寿命短的难题。其优势包括：
- 低成本与工艺友好性：常压合成、简单后处理，适合大规模制备；
- 高稳定性：通过离子协同作用抑制分子分解与聚集，解决了碱性环境下的材料退化问题；
- 高效储能特性：高溶解度与长循环寿命，满足大规模储能系统对经济性和可靠性的需求。
相关成果以《协同离子修饰策略提升萘酰亚胺两性离子的稳定性用于经济高效的中性水系有机液流电池》为题发表于国际权威期刊《国家科学评论》（National Science Review）。西安交通大学前沿院张恒博士生为第一作者，何刚教授为通讯作者，研究得到国家自然科学基金、陕西省科技创新专项等项目资助。
此项突破为中性水系有机液流电池的商业化应用奠定了关键材料基础，有望推动可再生能源储能技术向低成本、长寿命方向迈进，为“双碳”目标的实现提供重要技术支撑。
此项突破为中性水系有机液流电池的商业化应用奠定了关键材料基础，有望推动可再生能源储能技术向低成本、长寿命方向迈进，为“双碳”目标的实现提供重要技术支撑。