南京工业大学张凯强Small综述!蒽醌衍生物在水系软凝胶电极电池中的专题综述

当前电化学储能体系主要依赖固态或液态电极材料。固态电极广泛应用于便携式设备，但面临活性物质溶解和结构粉碎等问题；液态电极如氧化还原液流电池适用于固定式储能，却存在分子降解和交叉污染等挑战。介于这两种极端状态之间存在一类中间物理状态，统称为软凝胶态，其特征是不具备刚性原子骨架且分子迁移受到限制。通过利用硫酸根等无机离子的强水亲和性与某些水溶性聚合物的弱水亲和性之间的差异，可自发形成独特的软凝胶相，构建稳定的电极-电解质界面。这种基于辛醇-水分配系数（Kow）的设计策略，能够实现无需离子交换膜的双软凝胶电极电池，从而避免昂贵的离子交换膜带来的动力学限制和降解问题，为开发超长寿命水系储能体系提供了新的理论框架。

在这项研究中，研究人员系统综述了蒽醌衍生物在氧化还原液流电池中的分子工程策略，并探讨了其与软凝胶宿主集成的可行性。文章详细分析了通过接枝小分子官能团（如羟基、氨基、硝基）和长链取代基（如聚乙二醇链）来调节氧化还原电位、提高水溶性和增强分子稳定性的方法；讨论了引入磺酸基、季铵盐等离子基团以改善亲水性和电荷稳定性的效果；评估了抗衡离子工程（如铵根离子与钠离子的对比）对溶解度和循环性能的影响；总结了原位电化学预处理、导电宿主材料负载以及多氧化还原活性物种复合等策略。研究表明，长链取代的电荷中性蒽醌衍生物和聚合型衍生物能够有效抑制分子扩散，在保持高溶解度的同时显著提高电化学稳定性，为构建无膜软凝胶电极电池提供了关键的材料设计原则。

本文提出的软凝胶电极概念利用氧化还原活性分子的Kow值，在固体和液体电极之外建立了一种新的电池设计范式。软凝胶电极兼具避免刚性电极结构坍塌和抑制液态电极物质迁移的双重优势，通过分子工程与软凝胶宿主设计的协同，为开发简化架构、超长寿命的水系电池指明了方向。然而，该概念仍面临离子传输阻力导致的功率密度限制、高电流密度下的极化增加，以及大规模制备中的均匀性控制等挑战。未来研究需通过原位表征技术验证氧化还原物种在软凝胶相中的空间限域机制，优化聚合物化学与电解质组成，并建立可扩展的电极成型工艺。这种融合软物质物理与电化学的新型储能体系，有望在电网级储能和低成本可持续能源解决方案中发挥重要作用。