随着全球能源需求的增长和环境问题的日益严峻，开发高效、安全的储能技术成为了实现可持续发展的关键。与传统的金属离子电池相比，质子电池由于其较小的离子尺寸和较轻的质量，在电极材料中的扩散更为高效，具备更高的理论性能潜力。有机电极材料由于其低成本和分子的可设计性等特点，近年来已成为电池领域的研究热点。
近日，来自新南威尔士大学赵川教授团队的研究成果《基于四氨基-1,4-苯醌（TABQ）的高容量负极在全有机长循环水系质子电池中的应用》成功发表。这项研究首次引入了四氨基-1,4-苯醌作为质子电池的负极材料，实现了全有机水系质子电池在室温和低温下的长循环，展示了有机电极材料在储能领域的巨大潜力。
传统的有机电极材料通常受限于较窄的工作电压区间和较低的容量。为此，研究团队通过分子设计，首次将四氨基-1,4-苯醌（TABQ）引入质子电池负极。这种材料由于氨基的引入，显著提高了材料的LUMO能级并降低了材料的能隙，使其氧化还原电位明显下移。研究表明，TABQ电极材料在1 A/g的电流密度下，展示了超过300 mAh/g的超高比容量。
更值得关注的是，TABQ在首次循环后从晶态转变为无定形态，由于大量氨基和羰基的存在，电极材料形成了分子间氢键网络，这一结构能够通过Grotthuss机制实现高效的质子传导。该机制使TABQ能够在高达20 A/g的电流密度下，仍然保持出色的充放电性能。并且在5000次循环后仍有62.4% 的容量保持率。
研究团队不仅在单电极性能上取得突破，还成功开发了TABQ与四氯-1,4-苯醌（TCBQ）搭配的全有机质子电池。该电池在室温下，经过3500次充放电循环后仍保持优异的容量稳定性。此外，在-30°C的低温环境下，该电池依然展现了优异的电化学性能，具备广泛的应用前景。
本次研究展现了通过分子设计提升有机质子电池性能的巨大潜力。这项研究不仅为未来的有机电极材料设计提供了新思路，同时为低温环境下的储能技术开辟了新的应用领域。
论文信息
A High-capacity Benzoquinone Derivative Anode for All-organic Long-cycle Aqueous Proton Batteries
Sicheng Wu, Mackenzie Taylor, Haocheng Guo, Shuhao Wang, Chen Han, Jitraporn Vongsvivut, Quentin Meyer, Qian Sun, Junming Ho, Chuan Zhao
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202412455
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