在“双碳”战略目标的推动下，以风能、太阳能为代表的可再生清洁能源快速发展，将在我国未来能源结构中占据核心地位。然而，此类能源受自然条件制约，具有显著的波动性和间歇性，严重制约了其在电力系统中的大规模接入与稳定运行。因此，构建高安全性、长寿命、低成本且可规模化的储能系统，成为提升清洁能源利用效率的关键所在。
水系有机液流电池因具备本征安全性、能量与功率解耦、易于模块化扩展等优势，成为新型储能技术研究的前沿方向。其中，环状氮氧自由基类分子因其高氧化还原电位、优良可逆性及绿色合成路径，成为极具潜力的正极电解质候选。但在实际应用中，该类分子在充放电循环过程中易发生自催化氧化、歧化反应、分子聚集及开环等副反应，造成结构不可逆降解，电化学性能迅速衰退，成为限制其商业化应用的关键瓶颈。
为应对上述挑战，西安交通大学材料科学与工程学院宋江选教授团队围绕液流电池核心电解质分子的稳定性调控，开展了一系列创新性研究并取得重要突破。
针对高电位吡咯啉环氮氧自由基分子在循环过程中容易发生脱氮氧开环、活性位失效问题，团队创新性地引入主客体化学调控策略，构建了具有“分子铠甲”特征的新型稳定结构。研究通过将吡咯啉氮氧自由基分子封装于水溶性环糊精的疏水腔体中，构筑了N-O官能团朝向腔底的空间构型。该结构显著抑制了Lewis碱等亲核试剂对吡咯啉环氢位点的攻击，从而有效阻断了自由基开环副反应。电化学测试表明，包合物在0.05-0.5浓度范围内运行500圈后容量衰减率仅为0.002%/圈（日衰减率低于0.233%/天），明显优于未包合状态下的0.039%/圈（5.23%/天），充分验证了“分子铠甲”策略在提高分子稳定性方面的显著效果与广泛适用性。
团队进一步突破哌啶环氮氧自由基分子取代基传统线型结构设计的局限，开发出一类支链型双季铵盐取代的分子，利用分子支链引发的空间排斥效应显著提升电解质稳定性与氧化还原性能。该分子通过双正离子中心引导分子间静电斥力与空间位阻，显著抑制了亲核攻击及不良反应路径，在高浓度运行条件下展现出卓越电化学性能。其与联吡啶盐类负极电解质配对后，构建的液流电池体系在每圈容量保持率达到99.992%（日保持率大于99.85%），峰值功率密度高达140.3 mW cm⁻²。原位紫外-可见光谱表征和理论模拟结果进一步揭示了支链分子结构可有效提高荷电态间作用能垒，增强电荷间排斥作用，从而稳定分子结构，抑制副反应发生。此外，团队还联合北京化工大学孔端阳教授，将研究体系从水系全有机拓展至锌/氮氧自由基复合体系，成功构建兼具高面容量与长寿命的水系复合液流电池系统。
图1 分子铠甲与支链调控等策略调控的研究新进展
上述研究成果分别以《分子铠甲化的长寿命五元吡咯啉氮氧自由基类液流电池正极电解质》（Spatial structure regulation towards armor-clad five-membered pyrroline nitroxides catholyte for long-life aqueous organic redox flow batteries）和《分子支链调控驱动氮氧自由基稳定转化，助力构建高性能水系液流电池》（Branching-Induced Intermolecular Repulsion Effects Drive Stable and Sustainable Flow Batteries on Condensed Nitroxyl Radicals）为题发表在国际期刊《电科学与能源科学》（eScience）和《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上；材料科学与工程学院范豪副教授为论文第一作者，宋江选教授为通讯作者，西安交通大学为论文唯一完成单位。
图2 研究成果实现从实验室到工程化跨越，在多地开展兆瓦级储能示范应用
基于上述研究成果，团队积极推进“产学研用金”一体化成果转化进程。依托核心电解质分子调控研制的关键技术，团队与宿迁时代储能科技有限公司、中国华能集团有限公司、中国长江三峡集团有限公司、国家管网集团储能技术公司以及等多家央企及行业龙头企业开展深入合作，围绕水系有机液流电池关键技术联合攻关与应用落地。目前，已在内蒙古、福建等地联合建设兆瓦级新型水系有机液流电池储能示范项目，初步构建起从材料设计、体系集成到工程化应用的完整技术链条，为我国清洁能源大规模储能系统提供了可复制、可推广的技术解决方案。
该系列研究工作获得国家自然科学基金、人力资源和社会保障部国家外专项目、陕西省重点研发计划、西安交通大学青年拔尖人才计划以及金属材料强度国家重点实验室开放课题的资助。部分表征测试工作由西安交通大学分析测试共享中心与材料学院测试平台支持，理论模拟计算工作依托西安交大高性能计算平台完成。
