Wässrige organische Durchflussbatterien (Englisch: aqueous organic flow batteries oder AOFBs) sind vielversprechend für die Integration erneuerbarer Energien und die Speicherung von Strom im Netz, da sie sicher sind und organische redoxaktive Moleküle (Englisch: organic redox-active molecules oder ORAMs) in großer Menge und synthetisch abstimmbar zur Verfügung stehen. Probleme wie die geringe Energiedichte, die geringe Stabilität bei hohen Konzentrationen und die hohen Synthesekosten von ORAMs behindern jedoch ihre kommerzielle Verwertbarkeit.
Die Entwicklung von ORAMs, die sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine ultrastabile Zyklusleistung bieten, ist für die Weiterentwicklung von stationären Energiespeicherlösungen von entscheidender Bedeutung. Eine Erhöhung der Anzahl der Elektronenübertragungen in ORAMs kann die Energiedichte erhöhen und die Elektrolytkosten bei gleicher Konzentration senken. Bei ORAMs mit Mehrfach-Elektronentransfer besteht jedoch häufig ein „Kompromiss“ zwischen Stabilität und Löslichkeit.
In einer neuen Studie entwickelte ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. LI Xianfeng und Prof. ZHANG Changkun vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) ein gut wasserlösliches Pyren-Tetraon-Derivat, das die Energiedichte von AOFBs bei gleichzeitiger Hochtemperaturstabilität deutlich erhöht.
Erhöhte Energiedichte
Die Forscher entwickelten ein asymmetrisches Pyren-4,5,9,10-tetraon-1-sulfonat (PTO-PTS) Monomer über eine Kopplungsoxidations-Sulfonierungsreaktion. Dieses Monomer kann vier Elektronen reversibel speichern und bietet eine hohe theoretische Elektronenkonzentration von 4,0 M sowie ein ultrastabiles Semichinon-Radikal als Zwischenprodukt. Bei der Anwendung auf AOFBs erreichte dieses Monomer eine ultrahohe volumetrische Kapazität von etwa 90 Ah/L. Die AOFBs behielten ihre Kapazität nach 5.200 Zyklen an der Luft zu fast 100 Prozent bei, was ein großes Potenzial für die Energiespeicherung in großem Maßstab zeigt.
Außerdem fanden die Forscher heraus, dass die erweiterte konjugierte Struktur der Pyren-Tetraon-Kerne einen reversiblen Vier-Elektronen-Transfer durch Enolisierungs-Tautomerie ermöglicht. Die Einführung einer einzelnen Sulfonsäuregruppe in den Kern verringerte die molekulare Planarität und erhöhte die regionale Ladungsdichte und Wasserstoffbrückenbindung mit Wassermolekülen, wodurch die Löslichkeit in wässrigen Elektrolyten verbessert wurde. Darüber hinaus stabilisierte das Monomer das intermediäre Semichinon-Radikal durch eine wirksame Delokalisierung der konjugierten Struktur und eine geordnete π-π-Stapelung während des Redox-Prozesses, was zu einer hervorragenden Stabilität an der Luft und bei hohen Temperaturen beitrug.
AOFBs, die das Pyren-Tetraon-Derivat enthalten, erreichten eine Energiedichte von 60 Wh/L. Sowohl die symmetrischen als auch die Vollzellen wiesen nach Tausenden von Zyklen bei 60 °C keinen offensichtlichen Kapazitätsabfall auf, was auf eine gute Zyklenstabilität (etwa 1.500 Stunden) und eine vielversprechende Leistung in einem breiten Temperaturbereich (10 bis 60 °C) hindeutet.
