扩展共轭诱导π电子重分布稳定水系铵离子电池有机阳极材料

针对有机阳极材料在水系铵离子电池(AAIBs)中结构不稳定、易溶解的问题，研究人员通过设计扩展共轭分子TABQ-NQ，强化分子间π-π相互作用并调控电荷分布。该材料展现出190 mAh g?1 的高初始比容量，650次循环后容量保持率达76.8%，为开发高性能AAIBs提供了新策略。

　　

随着全球对可持续能源存储需求的增长，水系铵离子电池(AAIBs)因其环境友好、成本低廉和安全性高等优势成为研究热点。然而，传统无机阳极材料面临金属离子溶解、晶格结构坍塌等问题，而有机材料虽具有结构可调、活性位点丰富等特性，却受限于放电中间体的溶解和结构不稳定性。这些瓶颈严重制约了AAIBs的实际应用性能。

针对这一挑战，武汉理工大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表了一项创新研究。他们通过分子工程策略，将苯环引入5,7,12,14-四氮杂-6,13-五并苯醌(TAPQ)骨架，设计出新型扩展共轭分子苯并[a]苯并[7,8]喹喔啉[2,3-i]吩嗪-8,17-二酮(TABQ-NQ)。该研究综合运用密度泛函理论(DFT)计算、电化学测试和原位表征技术，系统揭示了扩展共轭对材料稳定性的双重调控机制：一方面增强分子间π-π堆叠作用抑制骨架解离，另一方面通过分子内电荷重分布降低与H₂
O的相互作用，同时提升与NH₄
⁺
的结合能力。

关键技术方法包括：1) 通过聚合反应合成TABQ-NQ并进行核磁共振(NMR)和质谱表征；2) 采用循环伏安法和恒电流充放电测试电化学性能；3) 结合DFT计算分析电子结构和结合能；4) 通过原位光谱技术追踪充放电过程中的结构演变。

合成与表征
通过四氨基苯醌(TABQ)与萘醌(NQ)的聚合反应成功制备TABQ-NQ，质谱和元素分析证实其分子量为576.15 g mol^?1
。X射线衍射显示其晶面间距缩小至3.38 ?，表明扩展共轭增强了分子堆积密度。

电化学性能
TABQ-NQ在0.2 A g^?1
电流密度下展现190 mAh g^?1
的初始容量，650次循环后保持146 mAh g^?1
，容量衰减率仅为0.036%/次。即使在2 A g^?1
高倍率下仍保持127.5 mAh g^?1
，显著优于传统PTCDI材料(119 mAh g^?1
)。

机理分析
DFT计算表明TABQ-NQ的LUMO能级(-3.62 eV)较TAPQ降低0.35 eV，增强了对NH₄
⁺
的吸附能(-0.98 eV)。红外光谱证实充放电过程中C=O/C-O的可逆转化，而紫外光谱显示电解液中溶解物浓度仅为TAPQ的17%。

结论与意义
该研究通过精准的分子设计实现了三重突破：1) 扩展共轭使溶解度降低83%；2) 分子内电荷重分布使NH₄
⁺
吸附能提升32%；3) 构建了稳定的跨位点NH₄
⁺
配位构型。这不仅为AAIBs有机阳极材料开发提供了新思路，其"增强相互作用-调控电荷分布"的双重策略也可拓展至其他储能体系。研究成果对推动安全、低成本的大规模储能技术发展具有重要指导价值。