AEM: 突破！3D 桥环有机分子赋能水系电池超高活性位点利用

文章总结

研究背景：化石能源短缺与环境问题促使电化学储能技术发展，水系可充电电池（ARBs）因安全、环保、低成本等优势受关注。有机电极材料因结构可设计、可持续性强被视为未来大规模应用的理想选择，但实际容量常低于理论值。

实验内容

6CNTFQ 的合成与表征：经三步溶剂热反应合成 6CNTFQ，通过 FTIR、XPS、NMR 等多种手段确认其结构和纯度。其热稳定性良好，500°C 时质量损失仅 3%。

电化学性能测试：循环伏安（CV）曲线显示 6CNTFQ 氧化还原电位低，利于扩大全电池电压窗口。恒电流充放电（GCD）测试表明，0.1 A g⁻¹ 时容量达 398 mAh g⁻¹，为理论容量 88%，在不同电流密度下均表现优异，32 A g⁻¹ 时仍有 167 mAh g⁻¹，10000 次循环后容量保持率 96%。其离子扩散系数达 5.89×10⁻⁹ cm² s⁻¹ ，比多数有机电极材料高 2 - 3 个数量级。

电荷存储机制研究：利用原位和非原位 Raman、XPS、FTIR、EPR 等技术研究发现，放电时 K⁺先与 C≡N 结合形成 6CNTFQ - K，再与 C═N 结合生成 6CNTFQ - 12K，充电时反应逆向进行，过程高度可逆。

理论计算：基于密度泛函理论（DFT）计算，6CNTFQ 分子间相互作用弱，利于活性位点暴露。其最低未占分子轨道（LUMO）能级低，带隙为 3.36 eV，导电性良好。K⁺优先与 C≡N 结合的反应路径热力学更有利。

全电池性能测试：以 6CNTFQ 为负极、Ni (OH)₂为正极构建全电池。该全电池在 1 A g⁻¹ 时容量 190 mAh g⁻¹ ，能量密度 162 Wh kg⁻¹ ，功率密度 810 W kg⁻¹ ，10000 次循环后容量保持率 97%。

研究结论：成功合成用于水系电池的 6CNTFQ，其展现高容量、高稳定性和高离子扩散系数。本研究为设计合成含 3D 桥环结构和扩展共轭平面的有机电极材料提供了方向，推动水系电池发展。

图文简介

6CNTFQ的合成路线和结构表征

电极容量与反应动力学

理论计算与模拟

a) 1 mV s⁻¹ 扫描速率下 Ni (OH)₂电极和6CNTFQ的循环伏安（CV）曲线。b) 电池的循环伏安曲线。c) 两个电极的电位变化以及全电池相应的电压变化。d) 恒电流充放电（GCD）曲线。e) 拉贡（Ragone）图。f) 10 A g⁻¹ 电流密度下的循环性能。

论文信息

通讯作者： Lintong Hu, Chao Yan