水系铵离子电池因其固有的本征安全性、低成本、无毒和快速反应动力学，正成为下一代储能系统的有力竞争者。与传统金属离子电荷载体不同，非金属NH₄⁺电荷载体具有较小的水合离子半径、较低的摩尔质量和独特的四面体结构，能与宿主材料形成稳定的氢键配位化学。然而，目前铵离子电池负极材料面临挑战：无机材料结构可调性差、NH₄⁺迁移动力学缓慢；有机小分子易溶于电解液导致循环寿命不足。共价有机框架因周期性排列的氧化还原活性位点和扩展共轭结构，在铵离子电池负极材料中备受关注。在共价有机框架中引入动态亚胺键联结的丰富单电子活性基团能够提高容量，但其氧化还原效率低且亚胺键稳定性不足。因此，亟需开发具有多电子转移能力且高度稳定的新型共价有机框架，以提升铵离子电池的容量和循环寿命。

我院甘礼华教授、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，课题组近期设计了多电子硝基苯并噻二唑共价有机框架，促进快速稳定的NH₄⁺氢键配位，揭示了硝基/噻唑双活性中心多电子氧化还原电荷存储机制，有效解决了单电子储能容量低和结构不稳定的问题，构建了高能量密度和超长循环寿命的铵离子电池。相关研究成果以Multi-electron nitrobenzothiadiazole sp-conjugated-alkynyl covalent organic frameworks for ammonium-ion batteries为题，近日在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。

通过引入强吸电子的硝基苯并噻二唑活性单元与高导电性的炔键桥联结构，形成硝基苯并噻二唑共价有机框架（nitro-BTH-COF），高密度硝基/噻唑活性位点和高度离域π-共轭体系，确保了多重双电子硝基/噻唑位点具有高NH₄⁺可及性（利用率达95.2%）和低活化能（25.93 kJ mol⁻¹）。

硝基苯并噻二唑单元中快速12 e⁻氢键NH₄⁺配位作用，使nitro-BTH-COF负极释放出317 mAh g⁻¹的高比容量。炔基桥联的π共轭网络建立了抗溶解结构，实现了70,000次的循环耐久性（容量保持率达93.70%）。

密度泛函理论计算证实了“先硝基、后噻唑”的两步12 e⁻氧化还原反应机制。分子动力学模拟进一步证实，硝基/噻唑基团与NH₄⁺在界面形成了高密度氢键网络，促进nitro-BTH-COF负极稳定的电荷存储。

以nitro-BTH-COF为负极，高电压普鲁士蓝类似物（NiFeHCF）为正极构建了铵离子全电池，实现了高能量密度（86.1 Wh kg⁻¹）和长循环寿命（25,000次充放电循环后容量保持率为88.91%）。该工作为通过多电子硝基功能化与sp共轭结构协同设计共价有机框架，构筑高性能、长寿命铵离子电池负极材料提供了新的视角。

上述研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和WilliamHill中文青年百人计划的资助，博士生陈裕敏为论文第一作者，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。  

论文链接： https://doi.org/10.1038/s41467-026-70370-x