三维锌有机聚合物电池实现4万次循环寿命，容量保持率达93%

一款基于三维聚合物的锌有机电池实现了创纪录的稳定性和电压，循环超过4万次后容量损失极微。

有机电池因其轻质、可回收且不含重金属毒物，长期以来被视为可持续能源存储的"圣杯"，但其在功率和稳定性方面始终存在不足。

如今，一支来自中国和新加坡的研究团队制造出了一款改写这些局限的有机聚合物电池，在保持可持续性的同时，实现了创纪录的电压和循环寿命。

在当今世界追求更安全、更绿色能源的背景下，这款锌有机电池可能标志着一个转折点。通过采用一种新型的三维聚合物框架，研究人员克服了困扰有机正极材料数十年的溶解度和导电性难题。

其成果是一款不仅寿命长，而且性能前所未有的电池。

这项由南京邮电大学、新加坡国立大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所以及新加坡科技研究局科学家领导的研究，展示了一种基于六氮杂苯并菲的聚合物 —— 名为HAT-TP —— 为能源存储树立了新标杆。

它提供了令人印象深刻的1.32伏初始放电电压，并在4万次循环后仍保持93.4%的容量。

这一成就标志着在水系锌有机电池领域创下了有史以来最耐用的性能记录之一，该领域长期以来一直受困于较差的循环稳定性和容量衰减问题。

打破循环寿命魔咒

该团队通过将六氮杂三亚苯（HAT-CN）与六氨基三蝶烯（THA-NH₂）偶联成一个三维框架，制备出了HAT-TP聚合物。这种结构抑制了材料的溶解性，并增加了可用于离子配位的电活性位点数量。

通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、核磁共振和电子显微镜进行的表征确认了其多孔三维结构 —— 这正是其卓越电化学性能的关键。

电化学测试显示，其初始放电电压为1.32 V，中值电压为1.17 V，显著高于传统的有机正极材料。

HAT-TP电池不仅提供了高电压，还展现出卓越的稳定性，在5 A g⁻¹的电流密度下经过4万次循环后，容量保持率超过93%，且库仑效率接近100%。

非原位分析和密度泛函理论模拟表明，该电池通过可逆的Zn²⁺/H⁺共嵌入机制运行，实现了五电子转移过程，从而具有高氧化还原活性。

理论模型显示，与HAT-CN相比，Zn²⁺/H⁺在HAT-TP中结合获得的吉布斯自由能更强，这解释了其高放电电势的原因。

"我们的工作表明，三维分子聚合是克服锌有机电池长期存在障碍的有效策略，"通讯作者何超斌教授、赖文勇教授和张其冲教授表示。"通过将六氮杂苯并菲与三蝶烯单元偶联，我们创造了一种稳定、导电且高活性的正极材料，它兼具高电压和超长循环寿命。在4万次循环后仍能保持90%以上容量的能力在该领域是前所未有的，这为设计不仅可回收、而且能与无机系统竞争的有机材料开辟了新的可能性。"

助力更绿色的未来

凭借其长寿命、高能量密度（高达192.8 Wh kg⁻¹）和接近完美的效率，HAT-TP有助于使大规模能源存储更安全、更可持续。

其高电压、稳定性和可回收性的结合，使其成为电网存储以及需要轻质、无毒电源的柔性和可穿戴电子设备领域的有力竞争者。

除了锌有机电池，该团队相信三维聚合物设计的原理也有望改变其他体系，包括锂硫电池和钠电池。

这项工作通过将分子水平的工程设计与实际性能相结合，使有机电池从实验探索走向了具有工业应用潜力。

该研究已发表在《eScience》期刊上。

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