有机材料因其资源可持续性、结构和功能可调性等优点，被视为极具前景的锌-有机电池正极材料。有机正极材料基于n型或p型氧化还原反应机制实现能量存储，其中n型有机材料（如羰基、亚胺、氰基、硝基化合物等）容量高，但平均放电电压低（< 0.8 V）。相比之下，p型有机物（如噻吩硫、仲胺化合物、三苯胺衍生物等）因其电子能级低而表现出更高的氧化还原电压（> 1 V），且有利于非金属阴离子高动力学存储，但因其活性位点密度低导致容量有限（< 250 mAh g⁻¹）。因此，亟需开发新型多电子高活性p型有机正极材料，进一步提升锌-有机电池的储能性能。

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，研究团队近期设计了高电压p型多硫杂环共价有机框架（S-COFs）正极材料，其中二噻吩/三噻吩单元与CF₃SO₃⁻阴离子配位实现了稳定30 e⁻电荷存储，构建了高能量密度和长循环寿命的锌-有机电池。相关研究成果以“High-voltage multi-S-heterocyclic covalent organic frameworks for zinc-organic batteries with high energy density and ultralong Life”为题发表于能源与环境领域国际权威期刊《能源与环境科学》(Energy & Environmental Science)。

实验表征和理论计算表明，二噻吩和三噻吩单元结构通过胺醛缩合反应形成S-COFs，展示出高密度多硫氧化还原活性中心和低能垒杂环电子离域路径，有助于加快电子转移动力学和电极氧化还原速率。

S-COFs正极材料用于锌-有机电池时，表现出高比容量（310 mAh g⁻¹）、高能量密度（403 Wh kg⁻¹）和长循环稳定性（60,000次充放电后容量保持率为81.2%）。

异位光谱和理论计算研究表明，二噻吩和三噻吩单元作为S-COFs正极的双p型电活性中心，与CF₃SO₃⁻阴离子电荷载体配位，引发了稳定和快速的30 e⁻氧化还原电荷存储过程。

理论计算表明，S-COFs正极与CF₃SO₃⁻阴离子间存在强相互作用，稳定的两步30 e⁻阴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。

化学科学与工程学院博士后杜文燕为论文第一作者，刘明贤教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委和上海市科委的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D5EE04802H