A redox-flow battery with an alloxazine-based organic electrolyte

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作者
Kaixiang Lin,Rafael Gómez‐Bombarelli,Eugene S. Beh,Liuchuan Tong,Qing Chen,Alvaro W. Valle,Alán Aspuru‐Guzik,Michael J. Aziz,Roy G. Gordon
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:1 (9) 被引量:489
标识
DOI:10.1038/nenergy.2016.102
摘要

Redox-flow batteries (RFBs) can store large amounts of electrical energy from variable sources, such as solar and wind. Recently, redox-active organic molecules in aqueous RFBs have drawn substantial attention due to their rapid kinetics and low membrane crossover rates. Drawing inspiration from nature, here we report a high-performance aqueous RFB utilizing an organic redox compound, alloxazine, which is a tautomer of the isoalloxazine backbone of vitamin B2. It can be synthesized in high yield at room temperature by single-step coupling of inexpensive o-phenylenediamine derivatives and alloxan. The highly alkaline-soluble alloxazine 7/8-carboxylic acid produces a RFB exhibiting open-circuit voltage approaching 1.2 V and current efficiency and capacity retention exceeding 99.7% and 99.98% per cycle, respectively. Theoretical studies indicate that structural modification of alloxazine with electron-donating groups should allow further increases in battery voltage. As an aza-aromatic molecule that undergoes reversible redox cycling in aqueous electrolyte, alloxazine represents a class of radical-free redox-active organics for use in large-scale energy storage. Redox-flow batteries with organic-based electrolytes hold many advantages over conventional-flow batteries. Here the authors report a high-performance flow battery based on alloxazine, an aqueous-stable and soluble redox-active organic molecule resembling the backbone structure of vitamin B2.
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