赵金保/杨阳/李成超AEM：分子结构设计实现的高利用率和环境可持续的全有机水系锌离子电池

尽管具有安全性和成本效益的优点，但水系锌有机电池的循环耐久性受到正极溶解和锌金属负极低库仑效率的阻碍。

在此，厦门大学赵金保教授、杨阳副教授&广东工业大学李成超教授团队提出了一种使用喹喔啉[2,3-i]二喹喔啉[2′,3′:6,7]喹喔啉[2,3-a:2,3-c]吩嗪(QDPA)正极与1,4,5,8-萘四甲酰二亚胺(NPI)负极耦合的无锌全有机锌离子电池(ZIB)，具有优异的电化学可逆性和高利用率。

基于分子结构策略，设计并合成了具有扩大芳环体系的QDPA正极，它不仅有效地抑制了循环过程中的结构坍塌，而且在不降低活性基团比例的情况下提高了工作电压。此外，理论计算和实验结果证实了QDPA在C=N活性位点的快速H+储存机制，提供了超快的电化学动力学。

图1. QDPA分别与锌离子和质子结合的电势分析

总之，本文合理设计和合成了扩大的芳环系统(QDPA)。扩大的芳环通过π-π相互作用抑制溶解，而不会牺牲理论容量。并且增加的电子离域区域降低了LUMO能量以及LUMO和HOMO的能隙，形成增强的电荷转移和QDPA的高工作电压。

因此，QDPA电极表现出超高容量(在0.1 A g^-1时为340.9 mAh g^-1)、0.7 V的高平均放电电压(vs Zn²⁺/Zn)和出色的循环性能(在20 A g^-1倍率下可循环13000次)。特别地，QDPA//NPI全有机电池在1 A g^-1下实现了1000次循环的长寿命和43.1 Wh kg^-1的相当大的能量密度。此外，经燃烧处理的不锈钢网集电器经验证可重复使用。

图2. QDPA//NPI电池的电化学性能

A High Utilization and Environmentally Sustainable All-Organic Aqueous Zinc-Ion Battery Enabled by a Molecular Architecture Design, Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202204005