Synergistic ionic modification strategy enhances the stability of naphthalene diimide zwitterions for cost-effective aqueous organic redox flow batteries

氧化还原 离子键合 水溶液 化学 二亚胺 化学工程 材料科学 无机化学 有机化学 离子 分子 工程类
作者
Heng Zhang,Chenjing Liu,Zengrong Wang,Xu Liu,Zhikang Han,Xuri Zhang,Yawen Li,Qing Zhao,Gang He
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
卷期号:12 (5): nwaf123-nwaf123 被引量:12
标识
DOI:10.1093/nsr/nwaf123
摘要

Aqueous organic redox flow batteries (AORFBs) hold significant promise for energy storage due to their unique advantages and characteristics. However, their development is hindered by the lack of decomposition resistance and cycle stability over long periods. In this study, we synthesized naphthalene diimide (NDI) derivatives with zwitterions in their side chains via the atmospheric pressure method, namely (CBu)2NDI and (SPr)2NDI. The electrostatic repulsion between (CBu)2NDI precisely regulates π-π stacking into a parallel-staggered pattern. The synergistic zwitterions strategy effectively mitigates the positive charge of N+ in (CBu)2NDI compared with (NPr)2NDI and dex-NDI; this not only enhances the aromaticity of the naphthalene diimide core but also inhibits the side chain decomposition caused by the SN2 nucleophilic attack of hydroxyl ions (OH-) on the C=O. The calculation of the single point energy proves that during the charging processes of (CBu)2NDI, the K+ will be close to the naphthalene core to form dimers or monomers with lower energy configurations under electrostatic attraction. (CBu)2NDI achieved a water solubility up to 1.49 M, which can be paired with K4Fe(CN)6 under two-electron transfer with total electrolyte costs as low as $6.58 Ah-1. The 0.1 M battery maintains full capacity after 5070 cycles. Furthermore, the battery delivers an impressive 100% capacity retention under 2 M e- during 220 cycles.
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