有机材料因其资源可持续性、结构多样性和功能可调性等优点，被视为可充电锌离子电池极具竞争力的正极材料。有机小分子电极材料比容量高，但易溶于电解液，引发电极容量和循环稳定性快速衰减，特别是在高倍率充放电时表现得尤为突出。此外，有机电极材料的性能也取决于电荷载体的扩散/配位动力学。相对于刚性金属Zn²⁺，NH₄⁺具有柔性四面体结构、独特择优取向性、小的离子半径和质量，并且可以与有机活性基团形成氢键作用，实现快速稳定的反应动力学，是锌-有机电池理想的电荷载体。然而，设计高活性、结构稳定的有机小分子电极材料实现高效NH₄⁺存储在水系锌-有机电池研究中颇具挑战。

我院刘明贤教授研究团队长期致力于新型储能与电池材料研究开发。日前，该团队通过2,7-二硝基-4,5,9,10-芘四酮（DNPT）和NH₄⁺电荷载体之间氢键作用构建了超稳定互锁氢键网络，解决了有机小分子在电解液中的稳定性问题，揭示了氢键网络中快速和超稳定的NH₄⁺耦合电荷存储机制，促进DNPT羰基/硝基八重活性位点的高效利用和低反应能垒的离子迁移动力学，构筑了高性能水系锌-有机电池。相关成果“NH₄⁺ Charge Carrier Coordinated H-Bonded Organic Small Molecule for Fast and Superstable Rechargeable Zinc Batteries”以Research Article的形式在线发表于化学领域国际著名学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition, 2023, e202309446）。

实验结果和理论计算表明：DNPT展示出强亲电子活性、高度共轭分子结构和较低能带间隙，有助于加快电子转移动力学和电极氧化还原速率，促进高效NH₄⁺耦合电荷存储。

分子动力学模拟和紫外光谱研究表明：高度稳定的氢键网络有效抑制活性官能团溶解，充分暴露羰基/硝基活性中心，克服Zn²⁺去溶剂化能垒过高引起的动力学迟滞问题，有效降低NH₄⁺扩散迁移/反应势垒，促进超稳定和快速NH₄⁺电荷载体传输。

红外光谱和X-射线光电子能谱研究表明：羰基/硝基作为DNPT二元电活性中心(氢键受体)，与NH₄⁺电荷载体(氢键供体)通过氢键(去)配位作用，引发高度可逆的两步连续电荷存储过程。

结合能计算、差分电荷分析和流体力学模拟表明：DNPT羰基/硝基位点与NH₄⁺间存在强相互作用，稳定的两步4e⁻ NH₄⁺配位促进电极/电解质界面电荷累积，显著提高了NH₄⁺存储容量。

最终，NH₄⁺配位氢键化学克服了DNPT在电解质中的稳定性障碍，实现了非金属电荷载体快速扩散动力学。DNPT正极材料用于水系锌-有机电池时，表现出高比容量（320 mAh g⁻¹@1A g⁻¹）、高倍率性能（113 mAh g⁻¹@50 A g⁻¹）和超长寿命（60,000次循环）。这项研究为解决有机小分子材料的固有溶解问题，构建高性能水系锌-有机电池提供了一种新的策略。

该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。

文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202309446