有机聚合物材料具有资源可持续性、结构不溶性和功能可设计性等特点，被视为水系钙离子电池极具前景的负极材料，但面临氧化还原活性位点能垒高和利用率低的问题，导致电池容量不足和循环寿命降低。因此，亟需开发低能垒和高活性的聚合物负极材料，进一步提升钙离子电池性能。

化学科学与工程学院刘明贤教授团队长期致力于高效储能材料研究并应用于新能源电池，课题组近期设计了低活化能双极性有机纳米结构负极材料，实现了超低活化能的四电子OTF⁻/Ca²⁺/H⁺协同存储，构建了高容量和长循环寿命的水系钙离子电池。相关研究成果以“Low-Activation-Energy Bipolar Organic Nanostructures for High-Capacity and Ultralong-Life Aqueous Calcium-Ion Batteries”为题发表于国际材料领域知名期刊《材料视野》（Materials Horizons）。

实验表征和理论计算表明，电子属性互补的4,4'-偶氮二苯胺和对苯醌通过分子间氢键和π-π相互作用自组装成具有排列良好的棒状纳米结构的聚合物（BONs），其展示出高密度羰基/亚氨/偶氮活性位点、低能带间隙和结构稳定性，有助于快速和高效的氧化还原反应。

电化学性能研究表明，BONs用作水系钙离子电池负极材料时，表现出高比容量（302 mAh g⁻¹@0.2 A g⁻¹）、高倍率性能（101 mAh g⁻¹@100 A g⁻¹）和优异的循环稳定性（100,000次充放电后容量保持率为80%）。

异位光谱研究表明，BONs的棒状纳米结构能有效抑制活性官能团溶解，充分暴露羰基/亚氨/偶氮电活性中心，引发高度可逆的氧化还原反应。

分子动力学模拟研究表明，羰基/亚氨/偶氮活性位点以低活化能(0.22 eV)实现稳定快速的三步四电子氧化还原反应。

理论计算表明，BONs中的羰基/亚氨/偶氮与Ca²⁺/CF₃SO₃⁻/H⁺间存在强相互作用，稳定的三步四电子阴-阳离子共配位促进电极/电解质界面电荷累积，显著提高了电荷存储容量。 

全电池电化学性能研究表明，以BONs负极和KCoFe(CN)₆正极组装的全电池表现出高能量密度（221 Wh kg⁻¹）和优异的循环稳定性（20,000次充放电后容量保持率为78%）。这项工作为通过低活化能纳米结构设计提高有机材料储能性能提供了新的视角。

宋子洋特聘研究员、甘礼华教授、刘明贤教授为论文共同通讯作者，博士研究生赵德诚为论文第一作者。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/10.1039/D5MH01474C