Published January 5, 2020
| Version v1
Publication
Understanding the Aqueous Solubility of Anthraquinone Sulfonate Salts: The Quest for High Capacity Electrolytes of Redox Flow Batteries
- 1. Hong Kong University of Science and Technology
- 2. University of Hong Kong
- 3. HKUST Shenzhen Research Institute
Description
Charge storage in concentrated electrolytes gives redox flow batteries (RFBs) a unique edge in grid-scale energy storage. It also creates a unique challenge in the design of organic molecules as alternatives to expensive vanadium salts. Molecules often come in the form of organic salts, and dissolve by ionic bond breakingand ion solvation, which can hardly be interpreted by "like dissolves like." Here we use anthraquinone sulfonate salts as a model system to investigate factors underlying their aqueous solubility. We synthesize fifteen salts, measure their solubilities with UV–vis spectroscopy, and find that the solubility of the same quinone could change by three orders of magnitude with a change in its counter-cation. The same impact can come from the position and number of the sulfonate groups. We explain the results with the differences in the ion solvation energy and the lattice energy, the latter of which is corroborated by single-crystal X-ray diffraction. We also derive a simple method to semi-quantitatively predict the solubility of a quinone sulfonate salt based on that of a common sulfate salt. The work provides a physical-chemical base for understanding the solubilities of organic salts for the design of high capacity electrolytes for aqueous flow batteries.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يمنح تخزين الشحنة في الشوارد المركزة بطاريات تدفق الأكسدة (RFBs) ميزة فريدة في تخزين الطاقة على نطاق الشبكة. كما أنه يخلق تحديًا فريدًا في تصميم الجزيئات العضوية كبدائل لأملاح الفاناديوم باهظة الثمن. غالبًا ما تأتي الجزيئات في شكل أملاح عضوية، وتذوب عن طريق كسر الرابطة الأيونية وحل الأيونات، والتي لا يمكن تفسيرها من خلال "مثل يذوب مثل." هنا نستخدم أملاح سلفونات الأنثراكينون كنظام نموذجي للتحقيق في العوامل الكامنة وراء ذوبانها المائي. نقوم بتصنيع خمسة عشر أملاح، ونقيس ذوبانيتها باستخدام التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية، ونجد أن ذوبان نفس الكينون يمكن أن يتغير بثلاثة درجات من الحجم مع تغيير في الموجبة المضادة. يمكن أن يأتي نفس التأثير من موضع وعدد مجموعات السلفونات. نفسر النتائج بالاختلافات في طاقة الذوبان الأيوني والطاقة الشبكية، والتي يدعمها حيود الأشعة السينية أحادي البلورة. نستمد أيضًا طريقة بسيطة للتنبؤ شبه الكمي بقابلية ذوبان ملح الكينون سلفونات بناءً على ملح الكبريتات الشائع. يوفر العمل قاعدة فيزيائية كيميائية لفهم قابلية ذوبان الأملاح العضوية لتصميم إلكتروليتات عالية السعة لبطاريات التدفق المائي.Translated Description (French)
Le stockage de charge dans des électrolytes concentrés donne aux batteries à flux redox (RFB) un avantage unique dans le stockage d'énergie à l'échelle du réseau. Cela crée également un défi unique dans la conception de molécules organiques comme alternatives aux sels de vanadium coûteux. Les molécules se présentent souvent sous la forme de sels organiques et se dissolvent par rupture de liaison ionique et solvatation ionique, ce qui peut difficilement être interprété par « comme se dissout comme.« Ici, nous utilisons des sels de sulfonate d'anthraquinone comme système modèle pour étudier les facteurs sous-jacents à leur solubilité aqueuse. Nous synthétisons quinze sels, mesurons leurs solubilités par spectroscopie UV–vis, et constatons que la solubilité d'une même quinone pourrait changer de trois ordres de grandeur avec un changement de son contre-cation. Le même impact peut provenir de la position et du nombre des groupes sulfonates. Nous expliquons les résultats avec les différences dans l'énergie de solvatation des ions et l'énergie du réseau, cette dernière étant corroborée par la diffraction des rayons X monocristallins. Nous dérivons également une méthode simple pour prédire de manière semi-quantitative la solubilité d'un sel de sulfonate de quinone sur la base de celle d'un sel de sulfate commun. Le travail fournit une base physico-chimique pour comprendre les solubilités des sels organiques pour la conception d'électrolytes de grande capacité pour les batteries à flux aqueux.Translated Description (Spanish)
El almacenamiento de carga en electrolitos concentrados le da a las baterías de flujo redox (RFB) una ventaja única en el almacenamiento de energía a escala de red. También crea un desafío único en el diseño de moléculas orgánicas como alternativas a las costosas sales de vanadio. Las moléculas a menudo vienen en forma de sales orgánicas y se disuelven por ruptura de enlaces iónicos y solvatación de iones, lo que difícilmente puede interpretarse como "lo similar se disuelve lo similar"." Aquí utilizamos sales de sulfonato de antraquinona como sistema modelo para investigar los factores subyacentes a su solubilidad acuosa. Sintetizamos quince sales, medimos sus solubilidades con espectroscopia UV–vis y encontramos que la solubilidad de la misma quinona podría cambiar en tres órdenes de magnitud con un cambio en su contracatión. El mismo impacto puede provenir de la posición y el número de los grupos sulfonato. Explicamos los resultados con las diferencias en la energía de solvatación iónica y la energía reticular, esta última corroborada por difracción de rayos X monocristalina. También derivamos un método simple para predecir semicuantitativamente la solubilidad de una sal de sulfonato de quinona basada en la de una sal de sulfato común. El trabajo proporciona una base físico-química para comprender las solubilidades de las sales orgánicas para el diseño de electrolitos de alta capacidad para baterías de flujo acuoso.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- فهم الذوبان المائي لأملاح سلفونات الأنثراكينون: البحث عن إلكتروليتات عالية السعة لبطاريات تدفق الأكسدة
- Translated title (French)
- Comprendre la solubilité aqueuse des sels de sulfonate d'anthraquinone : la quête d'électrolytes de haute capacité des batteries à flux redox
- Translated title (Spanish)
- Comprender la solubilidad acuosa de las sales de sulfonato de antraquinona: la búsqueda de electrolitos de alta capacidad de las baterías de flujo redox
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3008902529
- DOI
- 10.1149/1945-7111/ab7550
References
- https://openalex.org/W1545912033
- https://openalex.org/W1984040405
- https://openalex.org/W2021502908
- https://openalex.org/W2036042608
- https://openalex.org/W2038102635
- https://openalex.org/W2089833266
- https://openalex.org/W2111003787
- https://openalex.org/W2135999176
- https://openalex.org/W2176050954
- https://openalex.org/W2186629838
- https://openalex.org/W2213456163
- https://openalex.org/W2351146282
- https://openalex.org/W2523320065
- https://openalex.org/W2554373926
- https://openalex.org/W2565606293
- https://openalex.org/W2616134151
- https://openalex.org/W2788706585
- https://openalex.org/W2806629350
- https://openalex.org/W2911415915
- https://openalex.org/W2964461735
- https://openalex.org/W2967107413