近日，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院介觀化學(xué)教育部重點實驗室、江蘇省先進(jìn)有機(jī)材料重點實驗室金鐘教授帶領(lǐng)的“清潔能源材料與器件”研究團(tuán)隊在新型聚合物微粒“泥漿”電池方面取得進(jìn)展。

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相關(guān)工作以“All-polymer particulate slurry batteries”為題發(fā)表在Nature Communications, 2019, 10, 2513上。論文鏈接: https://doi.org/10.1038/s41467-019-10607-0。

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隨著可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，與之相匹配的儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)受到高度重視。液流電池是大規(guī)模儲能的最佳選擇之一，具有儲能規(guī)模大、循環(huán)壽命長、安全可靠等優(yōu)勢，但其發(fā)展受限于低能量密度和高成本。

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在液流電池氧化還原新體系的探索中，有機(jī)物因其電化學(xué)性能可調(diào)控、來源豐富而備受關(guān)注。但是很多有機(jī)物存在溶解度低、化學(xué)穩(wěn)定性差，易于發(fā)生副反應(yīng)等問題，這些都制約了其在液流電池中的應(yīng)用和發(fā)展。

圖1. 聚合物微?！澳酀{”電池的原理示意圖

為了解決上面的問題，金鐘課題組設(shè)計了一種水系分散的聚合物微?！澳酀{”電池。該聚合物泥漿電池采用可以發(fā)生多電子氧化還原反應(yīng)、易于制備的聚對苯二酚和聚酰亞胺分別作為電池的正極和負(fù)極活性材料，將聚合物制成微粒，均勻分散在酸性水溶液中（圖2）。

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高濃度的聚合物微粒“泥漿”打破了聚合物在水相溶液中的溶解限制，有效地拓寬了不溶性氧化還原可逆物質(zhì)在液流電池中的應(yīng)用。

圖2. 聚合物微粒的合成及粒徑分布

電化學(xué)分析測試表明聚對苯二酚和聚酰亞胺微粒能進(jìn)行多電子的電化學(xué)氧化還原可逆反應(yīng)，且擴(kuò)散系數(shù)和電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)與其他可溶性有機(jī)物相當(dāng)（圖3）。

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通過兩種聚酰亞胺的對比，研究了官能團(tuán)調(diào)控對于有機(jī)化合物電化學(xué)性能的影響，驗證了有機(jī)電化學(xué)活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)多樣性特點在液流電池應(yīng)用中的優(yōu)勢。

圖3. 聚合物微粒懸浮液的電化學(xué)性質(zhì)分析

另一方面，該研究中用生物化學(xué)實驗中常見的透析膜替代質(zhì)子交換膜作為電池隔膜，利用透析膜的尺寸排阻效應(yīng)，有效阻止了正極和負(fù)極活性物質(zhì)的交叉污染，保證了電池的循環(huán)穩(wěn)定性，并能夠促進(jìn)充放電過程中氫離子的快速傳遞（圖4）。

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通過詳細(xì)研究不同粒徑的聚合物微粒對電化學(xué)性質(zhì)及電池性能的影響，證明當(dāng)高分子微粒的尺寸由幾微米（2-5 μm）減小到幾百納米（500 nm）時，其微粒擴(kuò)散和電荷傳遞得到提升，法拉第電流增大，電池測試中的活性物質(zhì)容量利用率也隨著微粒尺寸的減小而增加。

圖4. 聚合物微粒泥漿電池的電池性能測試

南京大學(xué)介觀化學(xué)教育部重點實驗室、理論與計算化學(xué)研究所馬晶教授對該研究提供了理論計算方面的協(xié)助。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省杰出青年基金、江蘇省雙創(chuàng)人才計劃等項目的資助。