清洁可再生能源的开发和利用需要有先进的储能技术作为必要支撑。液流电池作为一种大容量电化学储能装置,是面向可再生能源规模化应用的首选技术。传统的液流电池是基于过渡金属电活性材料,但由于电解质价格昂贵且电解液存在强腐蚀性,阻碍了其进一步规模化应用。水系有机液流电池是一种新型的液流电池体系,使用有机电活性材料作为电解质,具有成本低和性能易于调控的优势;尤其是中性电池体系,对设备要求低、安全性高,具有极大的应用前景。电解质和离子隔膜作为液流电池的关键材料,直接决定了电池的性能。目前已开发的中性水系有机液流电池,正极电解质主要是基于2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)的衍生物,但其结构稳定性不足,导致在电池中的循环稳定性较差,面临的一个重要挑战是开发更稳定的衍生物结构;而负极电解质主要为基于紫精(Viologen)的衍生物,已报道了多种不同的衍生物结构,但是关于不同的Viologen衍生物的结构如何影响其电化学性质及在液流电池中性能的差异,这一关系尚不明晰,在电解质结构的分子设计方面缺乏基础的理论指导;此外,中性液流电池体系中使用的离子隔膜主要为市售隔膜,但面向规模化推广和应用,离子隔膜的成本仍需进一步降低。在这一背景下,本文主要研究工作如下:(1)以典型的羟基修饰Viologen衍生物为例,通过控制水溶性末端羟基和Viologen母核之间的烷基链长度,设计合成了系列衍生物,对其电化学性质和在液流电池中的性能进行系统的表征和测试,并结合模拟计算,研究分子前线轨道、空间构型和表面静电势等对不同结构衍生物的氧化还原特性、结构稳定性和电池性能的影响,阐明构效关系,为Viologen衍生物的电解质分子结构设计提供基础的理论指导;(2)以4-OH-TEMPO为起始材料,通过两步反应将荷电侧链基团引入到TEMPO主体结构中制备衍生物(TMAP-TEMPO),进行分子功能化修饰。一方面,荷电侧链基团的引入增大了 TMAP-TEMPO的极性,提高了其在水中的溶解度;另一方面,TMAP-TEMPO分子间的静电排斥效应和空间位阻效应可有效抑制分子间的相互作用,提高电解质分子的结构稳定性。在0.1M电解质浓度的电池测试中,与采用4-OH-TEMPO的液流电池(每小时的容量损失率为0.22%)相比,使用TMAP-TEMPO液流电池的循环稳定性提升了近一个数量级(每小时的容量损失率为0.026%),且在高浓度电解质条件下(0.5M或1.5M)依然维持;(3)基于聚苯醚材料(PPO),通过简单的功能化改性,引入荷正电的季铵功能基团,制备阴离子选择透过性膜,操作简单,易于规模化生产,与市售的其他类型离子隔膜相比,成本显著降低。将制备PPO型离子隔膜应用于中性TMAP-TEMPO/BTMAP-Vi电池体系中,测试结果显示,电池的功率为95.34mW cm-2,循环过程中每小时的容量保持率为99.943%,能量效率高达81%,高于目前绝大部分已报道的使用其他离子隔膜的TEMPO/Viologen电池体系。