在“碳达峰、碳中和”目标驱动下，以光伏、风电为代表的清洁可再生能源将逐渐占据能源结构主体地位。然而，这些新能源发电方式受自然条件影响，存在间歇性、波动性和不可控的缺点，严重制约了该类新技术的大规模应用。水系有机液流电池作为一种新型的大规模储能技术，具有低成本、高安全、功率和容量独立设计等特点，有望解决制约太阳能、风能等新能源技术大规模应用的瓶颈问题。
紫精类氧化还原活性分子以其成本低、水溶性高、氧化还原可逆性好等特点，是迄今用于水系有机液流电池负极活性材料的最优选择之一。然而，水溶性紫精分子体积较小，易在电池循环过程中穿透隔膜发生渗透；同时，还原态紫精自由基分子稳定性差，容易发生结构异化。这些不利因素导致紫精类水系液流电池容量衰减快、服役寿命短，极大限制了其规模化应用。
针对上述问题，西安交通大学宋江选教授团队采用分子空间结构调控策略，在紫精分子主体结构—联吡啶环的2,2,6,6-四个位置接枝甲基，得到了一种渗透率低、稳定性高且氧化还原电位更负的新型“棒状”紫精分子（R-Vi）。研究人员通过二维核磁共振谱（2D-NOE）和密度泛函理论计算确证了分子空间结构。结果表明，活性中心邻位接枝的四个甲基的电子诱导效应可显著降低紫精分子的氧化还原电位（-0.55 V vs. SHE），是目前报道紫精分子中的最低电位。更为重要的是，该策略通过空间位阻效应改变了紫精分子的空间构型，即由未改性的“S状”（S-Vi）变为“棒状”（R-Vi）。这一改变增加了紫精活性分子的尺寸（456.1 ?3增大至542.6 ?3），将分子渗透率降低至1.25×10-10cm2s-1，仅为S-Vi的14.7%。此外，“棒状”构型对紫精还原态的二聚具有抑制作用，进一步提升了紫精的循环寿命。以R-Vi为负极，K4Fe(CN)6为正极构建的水系液流电池3200圈循环后容量保持率高达77.6%，容量衰减率仅为0.007%每圈。本文提出的分子工程修饰策略提高了紫精分子的综合电化学性能，拓宽了有机活性材料的设计思路。
该成果以“分子空间结构调控：‘棒状’紫精电解质助力长寿命水系有机液流电池发展”(Spatial Structure Regulation: A Rod-Shaped Viologen Enables Long Lifetime in Aqueous Redox Flow Batteries)为题发表于国际知名期刊《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed.)上，博士研究生李宏斌为论文第一作者，宋江选教授和范豪助理教授为通讯作者，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为论文唯一通讯单位。这也是该团队继前期五元环氮氧自由基、六元环哌啶类氮氧自由基、吩噁嗪类碱性兰水性液流电池电极材料研究工作之后的又一重要进展。
该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金和西安交通大学青年拔尖人才计划等项目资助，表征及测试工作得到西安交通大学分析测试共享中心和材料学院分析测试中心的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202110010
宋江选教授课题组主页：http://jxsong.xjtu.edu.cn/