近年来，水系锌离子电池（AZIBs）凭借锌负极高理论容量（820 mAhg-1）、低氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE）以及水系电解液固有的高安全性、环境友好和低成本优势，成为大规模储能领域极具竞争力的下一代技术。然而，正极材料仍是制约其能量密度、循环寿命和倍率性能的核心瓶颈。为了设计出性能突出的正极材料，研究人员将目光聚焦于一类被广泛研究的氧化还原活性电极材料——羰基醌类化合物，其储能主要依靠羰基（C=O）与烯醇盐结构（C–O-）之间的可逆相互转化实现。然而，这类材料在弱酸性水系锌离子电池中的电荷存储机制仍存在争议。部分研究认为其电荷存储主要源于锌离子的嵌入与脱嵌，另有研究提出存在锌离子与氢离子共嵌入的反应机制，还有部分研究表明氢离子存储占据主导地位。因此，合理设计含羰基有机材料、阐明其储能机理、开发具备优异电化学活性的羰基化合物，具有重要的科学研究价值。
图1. 以往报道的典型羰基有机电极材料的分子结构与储能机理,以及本研究涉及的羰基电极材料（DHB 与o-DHB）
针对上述问题，马骁老师与合作者精心设计合成了平面共轭羰基化合物DHB及其氧化衍生物o-DHB，并系统对比二者在AZIBs中的电化学行为。Zn||DHB 与 Zn||o-DHB 电池均具备良好电化学性能，但储能机制存在显著差异：DHB遵循四电子转移储能机理，而o-DHB可实现六电子储存，在电流密度 0.1Ag-1下放电比容量高达565 mAhg-1。o-DHB 电化学优势突出，在 5Ag-1大电流密度下仍可保持 323 mAhg-1的比容量，经过3500次长循环后容量保持率达71%，综合性能优于绝大多数已报道的水系锌离子电池正极材料。
机理分析表明，DHB 末端邻位酚羟基氧化电位较高，难以有效转化为羰基参与储能反应；而o-DHB中的邻位与对位羰基均可在较低电位下发生可逆还原，与锌离子配位形成C–O–Zn键，实现高效多电子储能。非原位XPS测试证实，该体系储能过程以锌离子迁移为主，氢离子嵌入的贡献可忽略。理论计算结果进一步表明，相较于 DHB，o-DHB的共轭平面结构更具优异的多电子储锌能力：氧化改性为其引入更多氧化还原活性位点，同时降低前线轨道能级、减小能带间隙，优化的电子结构有效提升材料导电性，并加快多位点电子转移动力学。本研究完善并深化了共轭羰基醌类电极的羰基储能机制认知，为高性能水系锌离子电池有机正极材料的定向设计与开发提供了理论依据与新思路。
其成果以题“Unraveling the Carbonyl Charge-Storage Mechanism in Conjugated Carbonyl-Based Organic Electrodes for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”在国际知名期刊 Advanced Functional Materials上发表。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.75643
