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，卷:16(2)

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氧化还原液流电池有机电活性分子基电解质分子设计现状与挑战

卡罗尔威廉^＊

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卡罗尔威廉
印度有机化学杂志编辑部
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摘要

近几十年来，氧化还原液流电池作为一种大规模的电池得到了广泛的关注能源具有很大潜力的存储技术。氧化还原分子，允许RFBs转换化学物质能源以电力为能源，已经引起了各个领域的兴趣，包括能源存储、功能材料和合成化学。无机金属离子是目前应用最广泛的电活性分子，但它们大多稀缺且价格昂贵，阻碍了RFBs的广泛应用。因此，迫切需要开发新型、低成本的电活性化学品，以实现RFBs的商业化。基于有机电活性化合物(如醌类和氮氧化物自由基衍生物)的RFBs由于其在该领域的固有性质，已成为研究的热点。发展可再生和清洁能源已成为许多研究领域的一个基本问题，特别是在能源源头和生态环境研究，减少使用化石燃料以及导致全球变暖的二氧化碳排放。太阳能和风能能源两者都是生态良性的，并且被视为可行的未来选择吗能源来源。然而，这些可再生资源固有的间歇性和不可预测性限制了它们的市场采用。能源存储技术对可再生能源的推广至关重要能源因为它是一种有效的解决间歇性。

简介

近几十年来，氧化还原液流电池作为一种大规模的电池得到了广泛的关注能源具有很大潜力的存储技术。氧化还原分子，允许RFBs转换化学物质能源以电力为能源，已经引起了各个领域的兴趣，包括能源存储、功能材料和合成化学。无机金属离子是目前应用最广泛的电活性分子，但它们大多稀缺且价格昂贵，阻碍了RFBs的广泛应用。因此，迫切需要开发新型、低成本的电活性化学品，以实现RFBs的商业化。基于有机电活性化合物(如醌类和氮氧化物自由基衍生物)的RFBs由于其在该领域的固有性质，已成为研究的热点。发展可再生和清洁能源已成为许多研究领域的一个基本问题，特别是在能源源头和生态环境研究，减少使用化石燃料以及导致全球变暖的二氧化碳排放。太阳能和风能能源两者都是生态良性的，并且被视为可行的未来选择吗能源来源。然而，这些可再生资源固有的间歇性和不可预测性限制了它们的市场采用。能源存储技术对可再生能源的推广至关重要能源因为它是一种有效的解决间歇性。电网规模最流行的解决方案能源到目前为止，储存一直是抽水水力发电系统，这有很大的地理限制。因此，最近几十年的主要研究问题之一是利用创新能源存储技术具有高性能和灵活的设计。电化学能源存储系统，也被称为可充电电池(二次电池)，是非常发达的，提供非常高效能源转换以及巧妙的设计可行性。它们利用氧化还原活性分子来完成能源转换。铅酸电池、锂离子电池、超级电容器和氧化还原液流电池就是一些例子。铅酸电池被用于巨大的能源存储和电化学占主导地位能源存储业务在二十世纪由于它低初始成本和成熟的技术支持。然而，由于其循环寿命短，维护成本高，铅污染严重，最终被较新的电化学技术所取代。锂离子电池，其中锂(Li+)离子穿梭于正极和负极之间，是最常见的电化学电池能源今天的储存方法。在循环过程中，Li+离子以往返的形式参与两电极的插层/脱插层。在充电过程中，Li+离子从正极脱插，通过隔板迁移，并插到负极，同时在正极和负极分别发生氧化和还原。在放电过程中，程序反转。研究人员对电极、电解质和隔膜材料的进展进行了全面深入的调查，以解决锂离子电池面临的问题。这种电解质已经被证明可以在液体、凝胶和固相中工作。由于其良好的流动性和离子导电性，含有有机烷基碳酸酯溶剂(乙烯、二甲基、二乙基和甲基碳酸乙酯)和溶解锂盐(如LiBF4、LiClO4、LiPF6、LiBC4O8和Li[PF3(C2F5)3)的液体电解质被广泛使用。锂离子电池已经对社会产生了巨大的和戏剧性的影响，作为技术发展的结果，如高能源密度大，循环寿命长。然而，在锂离子电池大规模使用之前，必须解决许多困难，包括材料稀缺，放电时间短，以及电池中使用的溶剂的可燃性能源工业和住宅部门的储存。由于钠的固有电化学性质与锂类似，而且钠在地球上储量丰富，钠离子电池以及钾离子电池在最近几十年得到了大量关注，尽管它们在大规模生产方面仍处于起步阶段能源存储。超级电容器是另一个有趣的东西能源存储选择，因为他们的快速充放电反应，高功率密度，和出色的循环性能。超级电容器根据其性能分为电双层电容器(edlc)和伪电容器能源存储技术(法拉第电容器)。为了实现能源edlc使用高比表面积材料，如活性炭、碳纳米管和石墨烯衍生物，在电极/电解质界面吸附离子。另一方面，伪电容器使用过渡金属氧化物(如RuO2, MnO2, NiO和Co3O4)作为电极，具有较高的理论比容量和很大的氧化还原可逆性能源通过电极氧化还原反应进行存储。使用超级电容器储存大量的能源受到他们的限制低能源密度，可循环性差，由于使用贵金属而成本高。两个电解质槽(阳极和阴极储层)、阳极活性和阴极活性材料(阳极和阴极)、离子交换膜和电池结构是RFBs的主要组成部分。溶解在支撑电解质中的电活性材料的氧化还原反应，在电化学电池的储罐和相应的隔间之间循环，并由电极上的外部泵驱动，转换化学物质能源转换成电能。为了完成电流循环，选择性离子穿过离子交换膜。根据电解质在水中的溶解程度，RFBs被分为水性RFBs或非水性(有机)RFBs。溶解度极限随溶剂的不同而变化，对应于有机电活性分子的最大可行浓度，必须尽可能高。如前所述，溶剂的物理参数，如pH值、粘度、极性和介电常数，对溶解度极限有重大影响。此外，氧化还原分子的溶解度以及细胞的内阻受同一溶剂中支撑电解质的影响。建立一个RFB与高能源效率和库仑效率，有机电活性分子，溶剂和支撑电解质都应该一起考虑。有机物的溶解度极限更大。也就是说，在相同的溶剂和支撑电解质条件下，可以通过灵活的有机分子取代基变化来实现浓度的任意提高。分子在溶剂中的相对介电常数越高，其溶解度和稳定性越好。为了提高水性RFBs中有机电活性分子的浓度，可以使用水溶性离子或极性取代基，如季铵、磺酸、羧基和羟基。脂溶性取代基如烷基、羰基和酯基可能有助于增强有机电活性化合物在非水性RFBs中的溶解度限制。在含水流体中，可接受的氧化还原物种溶解度值约为1-2 M，而在非水电解质中需要4-5 M以满足成本效益的需求能源储存电活性化合物可以使用广泛的溶剂，包括水溶剂和非水溶剂。低成本是RFB商业化的要求之一。的低钒的地球丰富性和可变价格使得众所周知的全钒RFB电网规模实施困难。大多数使用有机电活性材料的RFBs的资本成本可以大大降低到实际应用的预期价值，因为它们利用了含有高地球丰度元素(如碳、氢、氧和氮)的有机分子。尽管如此，一些有机电活性化合物，如自由基，仍然明显比无机电活性物种昂贵。为了避免与氧气发生副反应，研究人员用有机氧化还原偶对报道的RFBs进行了筛选，发现有机材料必须在惰性环境中合成大气甚至在氩气或氮气清洗的手套箱里。

讨论

RFB已被公认为最有前途的大规模电化学技术能源储存，这样电池可以有优点低成本高，分子多样性大，可定制性强，安全性高。然而，在RFB系统在电网规模上的广泛部署之前，仍然迫切需要解决一些技术和经济挑战。能源化学品之间的转换能源和电动能源是通过电活性材料在电极上的氧化还原反应实现的。溶解度限制、电化学稳定性、跨膜渗透性和电活性材料的成本对RFB的电池性能和投资成本至关重要。与无机氧化还原相比物种(以金属离子表示)，有机氧化还原分子具有设计灵活、电化学性能稳定、易于定制和成本效益等固有特征，在面向住宅和工业应用的RFBs中更有前景。根据支持电解质的不同，含有有机电活性成分的RFBs可分为水系和非水系。总结和描述了水性和非水性RFBs中有机电活性化合物的特征。由于其离子导电性强、稳定性好、运行成本低、不使用危险或易燃溶剂而具有高安全性，到目前为止，水性RFBs在针对实际应用的研究中占据主导地位。然而，水性RFBs的商业化一直受到它们的阻碍低工作电压窗口低能源密度。另一方面，由于能够调节有机电活性分子的物理和电化学性质，非水性RFBs具有更宽的氧化还原电位窗口和工作温度范围，以及更大的灵活性。此外，在分子设计上的创新可以极大地改善非水性rfb的细胞功能。低离子电导率、有机电解质副反应以及电池循环性能差都阻碍了非水性rfb的广泛发展。