三維鋅有機聚合物電池實現4萬次循環壽命，容量保持率達93%

一款基于三維聚合物的鋅有機電池實現了創紀錄的穩定性和電壓，循環超過4萬次后容量損失極微。

有機電池因其輕質、可回收且不含重金屬毒物，長期以來被視為可持續能源存儲的"圣杯"，但其在功率和穩定性方面始終存在不足。

如今，一支來自中國和新加坡的研究團隊制造出了一款改寫這些局限的有機聚合物電池，在保持可持續性的同時，實現了創紀錄的電壓和循環壽命。

在當今世界追求更安全、更綠色能源的背景下，這款鋅有機電池可能標志著一個轉折點。通過采用一種新型的三維聚合物框架，研究人員克服了困擾有機正極材料數十年的溶解度和導電性難題。

其成果是一款不僅壽命長，而且性能前所未有的電池。

這項由南京郵電大學、新加坡國立大學、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所以及新加坡科技研究局科學家領導的研究，展示了一種基于六氮雜苯并菲的聚合物 —— 名為HAT-TP —— 為能源存儲樹立了新標桿。

它提供了令人印象深刻的1.32伏初始放電電壓，并在4萬次循環后仍保持93.4%的容量。

這一成就標志著在水系鋅有機電池領域創下了有史以來最耐用的性能記錄之一，該領域長期以來一直受困于較差的循環穩定性和容量衰減問題。

打破循環壽命魔咒

該團隊通過將六氮雜三亞苯（HAT-CN）與六氨基三蝶烯（THA-NH?）偶聯成一個三維框架，制備出了HAT-TP聚合物。這種結構抑制了材料的溶解性，并增加了可用于離子配位的電活性位點數量。

通過X射線衍射、傅里葉變換紅外光譜、核磁共振和電子顯微鏡進行的表征確認了其多孔三維結構 —— 這正是其卓越電化學性能的關鍵。

電化學測試顯示，其初始放電電壓為1.32 V，中值電壓為1.17 V，顯著高于傳統的有機正極材料。

HAT-TP電池不僅提供了高電壓，還展現出卓越的穩定性，在5 A g?1的電流密度下經過4萬次循環后，容量保持率超過93%，且庫侖效率接近100%。

非原位分析和密度泛函理論模擬表明，該電池通過可逆的Zn2?/H?共嵌入機制運行，實現了五電子轉移過程，從而具有高氧化還原活性。

理論模型顯示，與HAT-CN相比，Zn2?/H?在HAT-TP中結合獲得的吉布斯自由能更強，這解釋了其高放電電勢的原因。

"我們的工作表明，三維分子聚合是克服鋅有機電池長期存在障礙的有效策略，"通訊作者何超斌教授、賴文勇教授和張其沖教授表示。"通過將六氮雜苯并菲與三蝶烯單元偶聯，我們創造了一種穩定、導電且高活性的正極材料，它兼具高電壓和超長循環壽命。在4萬次循環后仍能保持90%以上容量的能力在該領域是前所未有的，這為設計不僅可回收、而且能與無機系統競爭的有機材料開辟了新的可能性。"

助力更綠色的未來

憑借其長壽命、高能量密度（高達192.8 Wh kg?1）和接近完美的效率，HAT-TP有助于使大規模能源存儲更安全、更可持續。

其高電壓、穩定性和可回收性的結合，使其成為電網存儲以及需要輕質、無毒電源的柔性和可穿戴電子設備領域的有力競爭者。

除了鋅有機電池，該團隊相信三維聚合物設計的原理也有望改變其他體系，包括鋰硫電池和鈉電池。

這項工作通過將分子水平的工程設計與實際性能相結合，使有機電池從實驗探索走向了具有工業應用潛力。

該研究已發表在《eScience》期刊上。

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