锌电池新材料：多氮杂环给体-受体自组装有机超结构

由于锌丰富资源、低反应电势、高容量和安全性，水系锌电池为新一代储能体系提供了良好发展前景。研究者一直致力于开发高性能阴极材料，这被认为是提高电池性能指标的关键因素。得益于可持续性、结构和功能的多样性，芳香族有机物作为锌有机电池（ZOBs）的有前景的阴极脱颖而出。有机阴极通过n型和/或p型氧化还原反应储存能量。广泛报道的醌、硝基芳烃和亚胺属于n型有机物（电子受体），它们往往表现出优异的容量，但氧化还原电压不令人满意（<0.80 V）。相反，p型有机物（电子供体），如三苯胺、氮氧化物和有机硫化物，由于活性基团不足，可提供高电压但容量较低（<250 mAh g⁻¹）。双极型有机材料集成了高容量n型和高电压p型基团的氧化还原反应优势，为高性能锌-有机电池设计开辟了新的途径。然而，双极型有机材料仍存在活性位点密度低和结构稳定性差的问题，导致锌电池能量密度和循环寿命偏低。因此，亟需开发新型的多重双极活性和高结构稳定性的有机正极材料，进一步提升锌电池性能。

同济大学化学科学与工程学院刘明贤教授（点击查看介绍）团队长期致力于高效储能材料研究并应用于新能源电池，该课题组近期从材料的活性位点与微结构设计角度出发，提出了多氮杂环供体-受体自组装构筑双极性有机超结构材料的新方法。电子受体三聚氯氰和电子给体哌嗪通过氢键和π−π平面堆叠自组装形成花状有机超结构，展示出高密度活性位点、高度共轭的双极性结构和低能带间隙，有助于加快电子转移动力学和电极氧化还原速率，促进了低反应能垒的Zn²⁺/OTF⁻相反离子交替配位，揭示了n型亚胺和p型叔氮协同氧化还原电荷存储机制，有效解决了当前双极型有机材料存在的问题，构建了高能量密度（412 Wh kg⁻¹）和长循环寿命（70,000次充放电后容量保持率为80.5%）的锌电池。

图1. 有机超结构材料的设计合成及其结构表征。

图2. 有机超结构材料的电化学性能。

图3. 有机超结构阴极的氧化还原行为和储能过程。

图4. 有机超结构阴极的结构演变过程。

图5. 有机超结构的动力学分析和活化能计算。

这一研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和中国博士后科学基金会资助，刘明贤教授为论文通讯作者，博士后宋子洋为论文第一作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Multi-N-Heterocycle Donor-Acceptor Conjugated Amphoteric Organic Superstructures for Superior Zinc Batteries

Ziyang Song, Qi Huang, Yaokang Lv, Lihua Gan, Mingxian Liu*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202418237

导师介绍

刘明贤

https://www.x-mol.com/university/faculty/13416