随着全球气候变化的日益严峻，以及能源结构的加速转型，高效、清洁的能源存储技术成为了实现碳中和目标的关键。在众多能量存储技术中，水性有机氧化还原液流电池（AORFBs）凭借其安全性高、成本相对较低以及设计灵活等优势，受到了广泛关注，被认为是未来大规模储能的重要发展方向之一。然而，AORFBs的商业化之路并非一帆风顺，电解液的分解问题以及由此导致的长期循环稳定性不足，一直是制约其发展的两大瓶颈。幸运的是，科学家们正不断探索新的策略，试图突破这些技术难题，为AORFBs的广泛应用铺平道路。
双离子协同：提升萘二亚胺稳定性
萘二亚胺（NDI）是一种具有优异氧化还原活性的有机分子，在AORFBs电解液中扮演着重要的角色。然而，传统的NDI衍生物在水性环境中稳定性较差，容易发生分解，从而导致电池性能的快速衰减。针对这一问题，一种创新的离子协同修饰策略应运而生，为提升NDI分子的稳定性提供了新的思路。
这种策略的核心在于通过在NDI分子侧链引入带电基团，构建双离子（zwitterions）结构。西安交通大学的研究团队在《National Science Review》上发表的研究成果表明，这种双离子修饰能够显著提高电解液的稳定性和循环寿命。双离子修饰策略的巧妙之处在于，它能够调节NDI分子的电荷分布和稳定性。通过在NDI侧链引入带正电荷和负电荷的基团，可以有效地抵消NDI核心的正电荷，从而增强其芳香性，并抑制侧链分解。这种分解通常是由SN2亲核取代攻击引起的，而双离子修饰能够有效地减轻NDI核心的正电荷，降低其对亲核试剂的敏感性。此外，π-π堆积和氢键网络的协同作用也进一步增强了NDI分子的整体性能，使其在电池中表现出更高的容量和功率。
更为重要的是，这种策略还为实现商业化生产提供了可行性。研究人员已经开发出一种水热合成方法，可以大规模制备高性能的NDI材料，产量可达百克级别。这种大规模合成方法的出现，为降低生产成本奠定了坚实的基础，使得AORFBs在成本上更具竞争力。除了材料合成方法的改进，对电解液的优化也至关重要。通过添加特定的电解液添加剂，可以抑制锌离子和氢离子的关联，从而改善水性锌离子电池的循环性能。这些优化措施的共同作用，使得AORFBs在性能和成本上都更具吸引力。
多管齐下：探索高性能水性电池
除了针对NDI分子的稳定性问题进行研究，科学家们还在其他方面积极探索高性能水性电池的开发。例如，高电压锂、钠、钾和锌水性可充电电池是近年来研究的热点领域。研究人员对这些电池的现状和创新进展进行了深入的探讨，并提出了提高电池性能的潜在策略。
有机电极材料的开发也是一个重要的研究方向。例如，吡啶功能化的萘二亚胺基材料，以及羧酸和磺酸N-取代的萘二亚胺盐，都表现出良好的电化学性能，有望进一步提升电池的能量密度和循环寿命。此外，将萘二亚胺核心整合到金属有机框架（MOF）中，也为开发具有高稳定性和优异电化学性能的电极材料提供了新的思路。MOF材料具有高度有序的结构和大的比表面积，可以有效地提高电极材料的离子传输速率和活性位点的数量，从而提升电池的性能。
未来展望：能量存储的无限可能
离子协同修饰策略为解决AORFBs的稳定性问题提供了一种有效的解决方案。通过在NDI分子侧链引入双离子，可以显著提高电解液的稳定性，延长电池的循环寿命，并降低生产成本。随着相关研究的不断深入，这种策略有望推动AORFBs的商业化应用，为实现可持续的能源存储体系做出贡献。
然而，AORFBs的发展仍然面临着诸多挑战，例如能量密度相对较低、电极材料的选择有限等。未来的研究方向将集中在以下几个方面：进一步优化双离子修饰策略，开发新型电解液添加剂，探索更具创新性的材料设计，以及提高电池的能量密度和功率密度。此外，开发高效、低成本的电极材料，并深入研究电解液与电极材料之间的相互作用，也是未来的研究重点。
可以预见的是，在科研人员的不断努力下，AORFBs的性能将会得到进一步提升，成本将会持续降低。随着技术的不断成熟，AORFBs将在未来的能源存储领域发挥越来越重要的作用，为实现清洁、高效、可持续的能源供应做出贡献。而不仅仅是AORFBs，整个水性电池领域也将迎来更加广阔的发展前景，为人类应对能源挑战提供更多选择。
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