基于聚乙烯咪唑骨架的高水溶性TEMPO聚合物阴极材料在水系有机液流电池中的应用研究

为解决水系有机液流电池(AORFBs)材料溶解度和粘度难以兼顾的问题，研究人员设计了一种基于亲水性聚乙烯咪唑骨架的聚合物材料P-T-N-4，整合了2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)和季铵基团。该材料在1.0 m NaCl水溶液中表现出39 Ah L?1的高水溶性和6.3 mPa s的低粘度。与甲基紫精(MV)组装的P-T-N-4/MV AORFBs在空气氛围中展现出优异性能：20 Ah L?1浓度下循环400次，平均容量保持率达99.88%/循环(99.94%/小时)，库仑效率99.18%，材料利用率83.1%。该研究为大规模储能提供了新型高性能阴极材料解决方案。

　　

这项突破性研究展示了一种革命性的电池材料设计策略。科学家们巧妙地将具有氧化还原活性的2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基(TEMPO)自由基与亲水性的聚乙烯咪唑高分子骨架相结合，开发出代号为P-T-N-4的新型聚合物阴极材料。这种创新材料在1.0摩尔浓度(m)的氯化钠水溶液(NaCl_aq)中展现出惊人的39安时每升(Ah L^?1)溶解度和仅6.3毫帕秒(mPa s)的低粘度特性。

研究团队采用甲基紫精(Methyl Viologen, MV)作为负极材料，构建了完整的P-T-N-4/MV水系有机液流电池(Aqueous Organic Redox Flow Batteries, AORFBs)系统。令人振奋的是，在空气环境中进行的测试表明：当活性物质浓度达到20 Ah L^?1时，电池在30毫安每平方厘米(mA cm^?2)的电流密度下可稳定循环超过400次，每次循环的平均容量保持率高达99.88%，相当于每小时99.94%的出色保持能力。更值得一提的是，除首循环外，平均库仑效率达到99.18%，活性物质利用率突破83.1%大关。

该研究还将电池性能推向新高度——在30 Ah L^?1的超高浓度下，电池仍能保持100次以上的稳定循环，前50次循环的容量保持率更是达到惊人的99.96%/循环。这些突破性进展为开发低成本、高安全性的规模化储能技术提供了重要解决方案，标志着有机液流电池技术迈入新纪元。