蒋建兵Nature子刊：高电压高能无膜非水锂基有机氧化还原液流电池的开发

锂基非水氧化还原液流电池（LRFB）具有更高的工作电压和理论能量密度，有望成为传统水性氧化还原液流电池的替代系统。然而，离子选择性膜的使用限制了LRFB的大规模适用性。

在此，美国辛辛那提大学蒋建兵教授团队报告了一种基于全有机双相体系的高压无膜LRFBs，采用Li金属负极和2,4,6-三-(1-环己基氧基-4-亚氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶)-1,3,5-三嗪(三TEMPO)、正丙基吩噻嗪(C3-PTZ)和三(二烷基氨基)环丙烯(CP)正极。在静态条件下含0.5 M氧化还原活性物质的Li||Tri-TEMPO, Li||C3-PTZ以及Li||CP电池，在电流密度为1 mA/cm²、温度为27℃、55天内循环100次，容量保持率分别为98%、98%和92%。

Li||Tri-TEMPO (0.5 M)电池的初始平均放电电压为3.45 V，能量密度约为33 Wh/L。在电流密度为1.5 mA/cm²、温度为27℃的情况下，该电池在45天内100次循环的容量为81%，平均库仑效率为96%，能源效率为82%。

图1. 有机氧化还原物质的化学式与氧化还原电压

总之，该工作报道了一种具有高电压和高能量密度的非水双相无膜锂基氧化还原液流电池。基于盐析效应，使用离子液体（BMP-TFSI）和有机碳酸酯（FEC）作为电解质开发了非水双相体系。作者在分析了11种有机氧化还原活性化合物后，选择了三种氧化还原活性正极材料，即Tri-TEMPO、C3-PTZ和CP。最初，0.1 M和0.2 M Li||Tri-TEMPO静态双相无膜电池进行100次充放电循环，容量保持率分别为99.87%和99.91%。0.1 M 和 0.2 M Li||Tri-TEMPO 双相电池的能量密度分别约为 7.2 和 16.6 Wh/L。

为了提高能量密度，作者组装了 0.5 M Li||Tri-TEMPO 无膜静态电池并进行了 100 次循环。它的容量保持率约为98%，CE为96%，能量密度为34 Wh/L。为了确认所提出的双相系统的多功能性，在静态条件下在无膜电池中测试了另外两种氧化还原活性材料，即 C3-PTZ 和 CP。0.5 M Li||C3-PTZ 和 0.5 M Li||CP 双相静态电池的放电电压分别为 3.42 和 3.94 V，高于之前报道的双相无膜电池系统。

最终，作者提出在未来的工作中，可以实施几种策略来改善系统的动力学和整体性能，具体为：（1）优化电池内的流速以增强传质动力学;（2）选择合适的支持电解质（盐），以提高电解质的电导率以调节整体电池动力学；（3）针对静态和流动条件实施先进的电池设计，以减少正极电极的死体积，以提高容量利用率以及（4）在流动条件下减轻正极材料在液/液界面处从正极电解液到负极电解液的交叉，以进一步提高库仑效率。

图2. 0.5 M Li||Tri-TEMPO 基无膜非水双相液流电池 (NBFB) 的性能

Development of high-voltage and high-energy membrane-free nonaqueous lithium-based organic redox flow batteries, Nature Communications 2023 DOI:10.1038/s41467-023-40374-y

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