基于亲水性蒽醌衍生物的可充电有机分子-空气电池：突破性高循环稳定性与库伦效率研究

本文报道了一种创新型可充电有机分子-空气电池（Rechargeable organic molecule-air battery），采用亲水性蒽醌衍生物（PE-AQ）作为阳极活性材料与酸性电解液体系。该设计通过分子结构优化（引入醚基增强亲水性和质子扩散性）和DFT计算验证，实现了>99%的100次循环容量保持率和>99%的库伦效率（Coulombic efficiency），突破了传统水系金属-空气电池的枝晶形成和碳酸盐堵塞等瓶颈，为可持续能源存储提供了新范式。

　　

研究背景与意义
化石燃料发电带来的环境问题促使可再生能源存储技术发展。可充电水系金属-空气电池虽具高能量密度优势，但存在阳极枝晶（dendrite formation）和电解质碳酸盐堵塞（carbonate salt clogging）导致的循环稳定性差等问题。传统锌-空气电池（Zn-air battery）在6 M KOH电解液中容量衰减严重，亟需开发新型电极材料。

分子设计与电化学性能
研究团队聚焦蒽醌（Anthraquinone, AQ）分子的可逆双电子氧化还原特性，通过酯化反应合成2-丙氧乙基蒽醌-2-羧酸酯（PE-AQ）。该分子设计包含三大创新点：

1. 酯基降低AQ单元电子密度，增强与单壁碳纳米管（SWNTs）的π-π相互作用
2. 线性醚基抑制分子聚集，提升质子扩散速率（DFT计算显示相互作用能达-7.3 kcal/mol）
3. 醚基亲水性（hydrophilicity）促进电解液渗透

电化学测试显示，PE-AQ/SWNT复合电极在0.5 M H₂
SO₄
电解液中实现-0.078 V vs. Ag/AgCl的氧化还原电位，放电容量达理论值的95.5%（151.4 mAh/g），30 C倍率下仍保持147.1 mAh/g的高倍率性能。

电池构建与性能突破
组装的有机分子-空气电池采用Pt/C空气阴极，展现出：

• 创纪录的>99%循环容量保持率（100次循环）

• 99%库伦效率（Coulombic efficiency）

• 能量密度152 Wh/kg（基于活性物质）
• 功率密度9,100 W/kg（60 C倍率）

机制解析与优势
通过对比AQ、AQ-COOH和PE-AQ的性能差异，揭示醚基修饰的多重作用：

1. 抑制分子聚集：晶体结构分析显示原始AQ分子通过疏水作用紧密堆积，而PE-AQ的醚基破坏这种排列
2. 促进质子传输：醚氧原子形成水网络辅助质子转移（water-network-assisted proton transfer）
3. 增强电极稳定性：SEM证实PE-AQ均匀分散于SWNT表面，避免活性物质脱落

应用前景
该研究为有机电极材料设计提供新思路：

• 无需复杂聚合物骨架即可实现高稳定性
• 酸性电解液体系避免碱性电解液的CO₂
  敏感性问题
• 自放电测试显示氧气扩散对性能无显著影响

未来方向
作者指出可进一步探索：

1. 聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）等导电聚合物作为全有机空气电池阴极
2. 超临界CO₂
   浸渍法提升活性物质负载量
3. 扩大分子库筛选其他醌类衍生物

这项发表于Cell Press旗下期刊的工作，通过精准的分子工程解决了有机材料在电池应用中的关键难题，为下一代绿色储能器件开发奠定基础。