NSR | 给有机分子“搭积木”：一个储能分子如何存下六个电子？

随着风电、光伏等可再生能源快速发展，如何实现安全、高效的大规模储能成为能源转型中的关键挑战。水系有机液流电池（Aqueous organic redox flow batteries, AORFBs）因其安全性高、成本低、规模可扩展以及电解质分子可设计等优势，被认为是下一代储能技术的重要候选。

然而，AORFBs的发展仍受到能量密度不足的限制。当前大多数电解质分子只能实现1-2个电子的可逆转移，难以满足高能量密度储能需求。理论上，提高单个分子的电子存储数量是提升电池储能能力的有效途径，但多个氧化还原中心的引入往往会导致中间体不稳定、副反应增加以及循环寿命下降。因此，如何在一个分子中合理布置多个氧化还原中心，并让它们按照预设路径协同工作，成为AORFBs分子设计的核心难题。

“搭积木”策略：吩嗪+芴酮=1+1>2

DQ-DC及系列对照分子的电化学行为：（a）分子结构及其对应的氧化还原机理；（b）循环伏安曲线；（c）差分脉冲伏安曲线。

为了深入理解这一多电子反应过程，研究团队结合循环伏安、电化学分析、半原位核磁共振、电子顺磁共振以及拉曼光谱等多种技术，对DQ-DC充放电过程中的结构演变进行了系统追踪。研究发现，充电过程中，吩嗪结构首先发生电子转移，随后芴酮羰基参与反应，形成明确的逐步还原路径；放电过程则呈现相反的可逆变化。多种光谱结果共同证明，分子不同氧化还原中心能够按照特定顺序协同工作，实现稳定的六电子可逆储能过程。

电池性能：超198天“长跑”，每天衰减仅0.039%

基于DQ-DC构筑的AORFBs展现出优异的综合性能。该体系实现了79.3 Ah L⁻¹的容量密度和250.2 mW cm⁻²的峰值功率密度。在0.6 M电子浓度条件下，电池连续稳定运行198.5天，超过3500次循环，表现出极低的容量衰减。进一步提升电子浓度至3.0 M后，电池仍保持稳定运行能力，展现出面向实际储能应用的潜力。

DQ-DC液流电池性能：（a）倍率性能；（b）库仑效率、容量利用率和能量效率随电流密度的变化规律；（c）0.6 M电子浓度下循环性能及充放电曲线（内插图）；（d）3.0 M高电子浓度下循环性能；（e）与已报道相似类型分子容量密度对比。

该研究的意义不仅在于开发了一种高性能AORFBs储能分子，更重要的是提出了一种可推广的分子设计理念：通过“搭积木”的方式，将不同氧化还原功能单元进行合理组合，在同一个分子中实现多电子协同存储，并通过功能化修饰进一步调控水溶性和稳定性。这一策略为突破传统有机储能分子的电子存储限制提供了新的思路。未来，通过进一步优化不同活性中心之间的电子耦合关系，有望构筑更多电子转移数、更高稳定性的新型有机储能分子，推动高比能、长寿命AORFBs大规模应用发展。

研究论文

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag423