Stabilization of Naphthalene Diimide Anions by Ion Pair Formation in Nonaqueous Organic Redox Flow Batteries

化学 氧化还原 二亚胺 光化学 乙腈 离子 分子 无机化学 化学物理 有机化学
作者
Seongmo Ahn,Mina Son,Vikram Singh,Ariyeong Yun,Mu‐Hyun Baik,Hye Ryung Byon
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (7): 4521-4531 被引量:22
标识
DOI:10.1021/jacs.3c11176
摘要

In redox flow batteries, a compelling strategy for enhancing the charge capacity of redox-active organic molecules involves storing multiple electrons within a single molecule. However, this approach poses unique challenges such as chemical instability by forming radicals, elevated energy requirements, and unsustainable charge concentration. Ion pairing is a possible solution to achieve charge neutrality and engineer redox potential shifts but has received limited attention. In this study, we demonstrate that Li+ can stabilize naphthalene diimide (NDI) anions dissolved in acetonitrile and significantly shift the second cathodic potential close to the first. Our findings, supported by density functional theory calculations and Fourier transform infrared spectroscopy, indicate that dimeric NDI species form stable ion pairs with Li+. Conversely, K+ ions exhibit weak interactions, and cyclic voltammograms confirm significant potential shifts when stronger Lewis acids and solvents with lower donor numbers are employed. Galvanostatic examinations reveal a single voltage plateau with Li+, which indicates a rapid redox process involving doubly charged NDI2– with Li+. These aggregated ion pairs offer the additional benefits of hindering crossover events, contributing to excellent cyclability, and suppressing undesirable side reactions even after 1000 redox cycles.
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