突破性進展：高密度超穩定電池推動再生能源儲存

在再生能源儲存領域，科學家們最近取得了一項重大突破。研究團隊成功開發出一種高溶解度的芘四酮衍生物（PTO-PTS），這種材料不僅提升了水性有機液流電池（AOFB）的能量密度，還大幅提高了其穩定性。這項創新使得單個分子能夠可逆地儲存四個電子，實現了90 Ah/L的體積容量，並在5,200次迴圈後仍保持100%的容量。

水性有機液流電池因其固有的安全性和可調節的有機氧化還原活性分子（ORAMs）而被視為整合再生能源和增強電網儲存潛力的關鍵技術。然而，低能量密度、高濃度下的穩定性差以及高昂的合成成本等問題，一直限制著其商業化應用。

為推動固定式能源儲存技術的發展，開發兼具高能量密度和長期迴圈穩定性的ORAMs至關重要。增加每個分子的電子轉移數量可以在不提高濃度的情況下提升能量密度並降低電解質成本。然而，多電子轉移ORAMs往往面臨穩定性和溶解度之間的取捨，這成為其實際應用的一大挑戰。

在《美國化學會期刊》發表的一項研究中，由中國科學院大連化學物理研究所的李先鋒教授和張昌坤教授領導的研究團隊，開發出一種高水溶性的芘四酮衍生物，大幅提升了AOFBs的能量密度，同時保持高溫穩定性。

研究人員透過耦合氧化-磺化反應設計了一種不對稱的芘-4,5,9,10-四酮-1-磺酸鹽（PTO-PTS）單體。這種創新的單體能夠可逆地儲存四個電子，提供高達4.0 M的理論電子濃度，並形成超穩定的半醌自由基中間體。應用於AOFBs時，這種單體實現了約90 Ah/L的超高體積容量。在空氣中進行5,200次迴圈後，AOFBs仍保持近100%的容量，顯示出大規模能源儲存的巨大潛力。

此外，研究人員發現，芘四酮核心的延伸共軛結構透過烯醇化互變異構促進了可逆的四電子轉移。在核心中引入單個磺酸基團降低了分子平面性，增強了區域電荷密度和與水分子的氫鍵作用，從而提高了在水性電解質中的溶解度。

更值得一提的是，這種單體透過有效的共軛結構離域和氧化還原過程中的有序π-π堆積，穩定了中間的半醌自由基，使其在空氣和高溫下表現出優異的穩定性。

採用芘四酮衍生物的AOFBs實現了60 Wh/L的能量密度。無論是對稱電池還是全電池，在60°C下經過數千次迴圈後均未出現明顯的容量衰減，顯示出良好的迴圈穩定性（約1,500小時）和在廣泛溫度範圍（10至60°C）內的優異效能。

參考文獻：Ge, G., Mu, C., Wang, Y., Zhang, C., & Li, X. (2025). Four-Electron-Transferred Pyrene-4,5,9,10-tetraone Derivatives Enabled High-Energy-Density Aqueous Organic Flow Batteries. Journal of the American Chemical Society, 147(4), 1234-1245. doi:10.1021/jacs.4c12506