锌-有机电池中活性位点限制引发的Zn2+/H+共存储电压性能调控机制研究

为解决锌-有机电池中C═N/C═O基团空间位阻对Zn2+/H+共存储机制的影响，研究人员通过设计具有相同活性位点但官能团位置差异的小分子体系，发现C═N空间限制会导致Zn2+配位模式从N─Zn─O转变为更稳定的O─Zn─O，其键级提升显著改善电池循环性能。该研究为高性能有机正极材料设计提供了理论指导。

　　

亚胺-羰基化合物虽能通过锌离子(Zn²⁺)和质子(H⁺)共存储实现高容量，但其中碳氮双键(C═N)与碳氧双键(C═O)的协同作用机制尚未明晰。最新研究通过精准设计具有相同活性位点数量、但官能团位置各异的有机小分子，揭示了有趣的分子构效关系：当C═N基团因空间位阻受限时，锌离子的配位模式会从氮-锌-氧(N─Zn─O)转变为氧-锌-氧(O─Zn─O)。密度泛函理论计算表明，后者具有更高的键级和结构稳定性，这种强化作用使得还原产物在电解液中更稳定，从而显著提升电池循环寿命。

更有趣的是，Zn²⁺/H⁺共存储机制还能降低反应吉布斯自由能(Gibbs free energy)变化，这种热力学调控不仅抬高了放电电压平台，还使其放电曲线更为平坦。该发现如同为有机电极材料设计提供了"分子尺规"，通过精确调控活性位点空间排布即可优化储能性能，为开发新一代水性锌电池开辟了新思路。研究还特别指出，相较于传统无机材料，这类有机正极在离子存储机制上展现出独特的"双离子协同效应"，这种特性有望突破现有电池体系的能量密度瓶颈。