Collaborative Research: Catholyte Molecular Design For Non-aqueous Mg-organic Hybrid Redox Flow Batteries

合作研究:非水镁有机混合氧化还原液流电池的阴极电解液分子设计

基本信息

  • 批准号:
    2247408
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 26万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-07-01 至 2024-03-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

With support of the Chemical Structure, Dynamics & Mechanisms-B Program of the Chemistry Division, Tao Gao of the Department of Chemical Engineering at the University of Utah, and Chao Luo at the Department of Chemistry and Biochemistry at George Mason University are developing new classes of organic molecules for energy storage technologies. The objectives of this project are to design, synthesize and characterize core-shell structured organic molecules, to gain a fundamental understanding of the structure-property-performance correlation of synthesized organic molecules, and to leverage this understanding for designing a transformative hybrid flow battery for future energy storage applications. The project offers several broader impacts, including fundamental knowledge of organic molecules, novel battery technology development, training of the future science and technology workforce at undergraduate and graduate levels, and an outreach program that can engage high school students including students from groups traditionally underrepresented in chemistry and chemical engineering. To unleash the potential of hybrid magnesium-organic flow batteries, new organic molecular structure design is proposed. The design consists of core-shell structured organic molecules with an aromatic core, a redox-active shell, and a polyether chain connecting them. Such core-shell structured molecules have the potential to enable fast electron-transfer reactions to the redox-active moieties located in the shell, and provides multiple design freedoms to tune the solubility, capacity, potential, and stability of organic molecules. Thus, this approach has great potential to achieve transformative energy storage performance compared to the state-of-the-art hybrid flow batteries. A systematic experimental study is proposed, including design and synthesis of core-shell structured organic molecules, chemical and electrochemical characterization of the synthesized molecules, a device-level study of flow battery performance of synthesized molecules, as well as in situ/ex situ studies to understand reaction mechanisms and performance limiting factors. The overall long term aim is to achieve a comprehensive fundamental understanding of the structure-property-performance correlation of core-shell structured organic molecules for magnesium-organic flow batteries. The goal is to eventually provide rational structure/design guidelines of organic materials for high-voltage, high-capacity and stable non-aqueous magnesium-organic flow batteries. Such tunable organic molecules in the longer term have potential application areas that include supporting redox-flow batteries, CO2 capture, electrochemical sensing, organic electronics, and separations science.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
在化学结构,动力学和机制-B计划的支持下,犹他大学化学工程系的陶高(Tao Gao)以及乔治·梅森大学(George Mason University)化学和生物化学系的Chao Luo正在开发新的有机分子储能技术的有机分子。该项目的目标是设计,合成和表征核壳结构化有机分子,以对合成的有机分子的结构 - 良好 - 性能 - 性能 - 性能相关性进行基本理解,并利用这种理解来设计变换的混合流动电池,以实现未来的能源存储应用。该项目提供了一些更广泛的影响,包括有机分子的基本知识,新颖的电池技术开发,对本科和研究生级别的未来科学和技术劳动力的培训,以及一项外展计划,该计划可以吸引高中生,包括传统上代表性不足的化学和化学工程成果的学生,包括化学和化学工程的学生。为了释放混合镁 - 有机流量电池的潜力,提出了新的有机分子结构设计。 该设计由带有芳族核心的核壳结构化有机分子组成,氧化还原活性壳以及连接它们的聚醚链。这样的核壳结构化分子具有对位于壳体中的氧化还原活性部分的快速电子转移反应的潜力,并提供了多种设计自由来调整有机分子的溶解度,容量,潜在和稳定性。因此,与最先进的混合流动电池相比,这种方法具有实现变革性储能性能的巨大潜力。提出了一项系统的实验研究,包括核壳结构化有机分子的设计和合成,合成分子的化学和电化学表征,一项对合成分子的流量电池性能的设备级研究,以及原位/EXER研究,以了解反应机制机制和性能限制因子。总体长期目的是实现对镁和有机流量电池的核壳结构有机分子的结构 - 核能性能相关性的全面理解。目的是最终提供有机材料的合理结构/设计指南,以用于高压,高容量和稳定的非水镁有机流量电池。 从长远来看,这种可调的有机分子具有潜在的应用领域,包括支撑氧化还原电池,二氧化碳捕获,电化学感测,有机电子和分离科学。该奖项反映了NSF的法定任务,并被认为是通过基金会的知识分子和更广泛的影响来评估的支持,并被认为是值得的。

项目成果

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