有机材料因其资源可持续性、结构多样性和功能可调性等优点，被视为可充电锌离子电池极具竞争力的正极材料。有机小分子电极材料比容量高，但易溶于电解液，引发电极容量和循环稳定性快速衰减，特别是在高倍率充放电时表现得尤为突出。此外，有机电极材料的性能也取决于电荷载体的扩散/配位动力学。相对于刚性金属Zn²⁺，NH₄⁺具有柔性四面体结构、独特择优取向性、小的离子半径和质量，并且可以与有机活性基团形成氢键作用，实现快速稳定的反应动力学，是锌-有机电池理想的电荷载体。然而，设计高活性、结构稳定的有机小分子电极材料实现高效NH₄⁺存储在水系锌-有机电池研究中颇具挑战。 

我校化学科学与工程学院刘明贤教授研究团队长期致力于新型储能与电池材料研究开发。近日，该团队通过2,7-二硝基-4,5,9,10-芘四酮（DNPT）和NH₄⁺电荷载体之间氢键作用构建了超稳定互锁氢键网络，解决了有机小分子在电解液中的稳定性问题，揭示了氢键网络中快速和超稳定的NH₄⁺耦合电荷存储机制，促进DNPT羰基/硝基八重活性位点的高效利用和低反应能垒的离子迁移动力学，构筑了高性能水系锌-有机电池。相关成果“NH₄⁺ Charge Carrier Coordinated H-Bonded Organic Small Molecule for Fast and Superstable Rechargeable Zinc Batteries”以Research Article的形式在线发表于化学领域国际著名学术期刊《德国应用化学》。

实验结果和理论计算表明：DNPT展示出强亲电子活性、高度共轭分子结构和较低能带间隙，有助于加快电子转移动力学和电极氧化还原速率，促进高效NH₄⁺耦合电荷存储。

分子动力学模拟和紫外光谱研究表明：高度稳定的氢键网络有效抑制活性官能团溶解，充分暴露羰基/硝基活性中心，克服Zn²⁺去溶剂化能垒过高引起的动力学迟滞问题，有效降低NH₄⁺扩散迁移/反应势垒，促进超稳定和快速NH₄⁺电荷载体传输。

红外光谱和X-射线光电子能谱研究表明：羰基/硝基作为DNPT二元电活性中心(氢键受体)，与NH₄⁺电荷载体(氢键供体)通过氢键(去)配位作用，引发高度可逆的两步连续电荷存储过程。

结合能计算、差分电荷分析和流体力学模拟表明：DNPT羰基/硝基位点与NH₄⁺间存在强相互作用，稳定的两步4e⁻ NH₄⁺配位促进电极/电解质界面电荷累积，显著提高了NH₄⁺存储容量。

最终，NH₄⁺配位氢键化学克服了DNPT在电解质中的稳定性障碍，实现了非金属电荷载体快速扩散动力学。DNPT正极材料用于水系锌-有机电池时，表现出高比容量（320 mAh g⁻¹@1A g⁻¹）、高倍率性能（113 mAh g⁻¹@50 A g⁻¹）和超长寿命（60,000次循环）。这项研究为解决有机小分子材料的固有溶解问题，构建高性能水系锌-有机电池提供了一种新的策略。

刘明贤教授为论文通讯作者，博士后宋子洋为论文第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和中国博士后科学基金会资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202309446