NSR | “萘”么稳定，“胺”全可靠：萘酰亚胺电解液的高效储能表现

摘要：西安交通大学研究团队创新性地提出了一种离子协同策略，用常压法合成了一类具有高稳定性的萘酰亚胺两性离子衍生物，所构筑的电池总电解质成本低至$6.58•Ah

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西安交通大学研究团队创新性地提出了一种离子协同策略，用常压法合成了一类具有高稳定性的萘酰亚胺两性离子衍生物，所构筑的电池总电解质成本低至$6.58•Ah-1，在2 M电子浓度下经长时间循环无明显的容量衰减。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），西安交通大学张恒博士为论文第一作者，何刚教授为论文通讯作者。

基于两性萘酰亚胺衍生物的制备及在中性水系有机液流电池中的应用

随着可再生能源的快速发展，开发低成本、长寿命、高安全的大规模储能技术成为实现碳中和的关键。中性水系有机液流电池（AORFBs）因分子结构可调、环境友好等优势备受关注。萘酰亚胺（NDI）衍生物凭借其高度的π-π共轭体系和双电子存储特性成为理想候选材料，然而循环过程中的酰亚胺环易受OH⁻亲核攻击导致分解，且自由基态分子聚集引发粘度激增，严重制约实际应用。

针对这一挑战，该文构建了一类两性萘酰亚胺衍生物，有效调节分子间的π-π相互作用的同时提高了萘酰亚胺材料的抗分解性，展现出优越的稳定性。

(CBu)2NDI的单晶结构及π-π相互作用

通过在室温下将异丙醚逐渐扩散到含有 (CBu)2NDI 的甲醇溶液中，获得了 (CBu)2NDI 的单晶结构。 (CBu)2NDI 表现出明显的平行交错堆叠模式，其特征是π-π相互作用，这种堆叠的原因可以归因于侧链和电荷之间的相互排斥。这种增强的相互作用可以有效抑制长距离堆积，进而稳定分子构象并在不同状态下保持较高的水溶性。

图1：(a) (CBu)2NDI的XRD谱图 (b) Material Studio模拟的(CBu)2NDI的堆叠结构 (c) (CBu)2NDI的单晶结构 (d) π-π相互作用

两性离子间的协同作用

萘酰亚胺衍生物在充电过程中，溶液逐渐变为弱碱性，碱度的增强促进了 OH- 的 SN2 亲核攻击，导致脱烷基化和开环反应。这个过程会降低溶解度并导致不可逆的容量衰减。通过核独立化学位移值[NICS (1)]以及福井函数的计算，证明了阴离子的引入抑制了OH-亲核攻击导致的电解质材料的分解。

图2：(a) (CBu)2NDI、(NPr)2NDI 和 dex-NDI 的 NICS(1)值 (b) (CBu)2NDI、(NPr)2NDI、dex-NDI 和 K2NDI 的对比表 (c) 碱性条件下萘酰亚胺衍生物的脱烷基化和开环示意图 (d) 静电势，(e),(f) (CBu)2NDI 和 dex-NDI 的Fukui 函数和Hirshfeld 电荷

电池性能测试

在2 M的电子浓度下，基于(CBu)2NDI/K4Fe(CN)6的液流电池在220圈的循环里未发生明显的容量衰减。与其他材料相比，(CBu)2NDI表现出卓越的性能，即使在超长循环次数下也能保持稳定的容量。这些发现促进了高性能中性水系有机液流电池的发展，并展示了其大规模商业应用的潜力。