水系锌离子电池凭借本征安全、环境友好和成本优势，正成为下一代储能器件的重要研究方向。有机小分子因具有高密度氧化还原活性位点、结构可设计性强及资源可再生等优点，被视为锌离子电池极具前景的正极材料。然而，其极性官能团与水溶剂之间的强相互作用导致其易溶于水系电解液，引发电池容量不可逆衰减，循环寿命严重受限。因此，如何设计不溶解的高活性有机小分子，突破“容量-稳定性”固有矛盾，是该领域长期面临的难题。

我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开发，研究团队近期提出非平面叔氮扩展分子工程策略，构筑了不溶解、低能垒的硝基苯分子正极材料（TNB），有效解决了有机小分子在水系电解液中的溶解性问题，实现了高容量与超长循环寿命的协同突破。相关成果以“Nonplanar tertiary-N extended nitrobenzene enables insoluble and low-energy-barrier organic small molecule cathode for high-performance aqueous batteries” 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)。

通过将平面型高活性1,4-二硝基苯（DB）与非平面型低能垒三苯胺（TA）融合，设计合成了具有非平面构型的TNB分子。两个可旋转的叔氮连接键赋予TNB扩展的非平面芳香构型和低能垒电子结构，其分子内π-π相互作用能（−35.8 kcal mol⁻¹）显著高于水分子的解离能（15.1 kcal mol⁻¹），从而赋予TNB在水系电解液中优异的结构稳定性。

得益于非平面结构对活性位点的充分暴露和低空间能垒，TNB正极实现了98.9%的硝基/叔氮位点利用率，展现出430 mAh g⁻¹的高比容量、100 A g⁻¹的大电流充放电能力，可稳定循环180,000次，创下了有机正极材料在水系电池中的最长循环寿命纪录。             

异位光谱和理论计算研究揭示了TNB正极的双极性电荷存储机制：硝基/叔氮作为n型和p型电活性中心，分别与Zn²⁺和SO₄²⁻电荷载体发生可逆反应，赋予了极低的界面活化能（0.23 eV）和快速的离子扩散动力学，实现了高度可逆的连续十电子阴/阳离子共存储过程。

此外，该非平面分子工程策略展现出良好的普适性，可成功拓展至羧基、氰基和亚胺类小分子化合物，均实现了十八万次以上的超长循环寿命。这项研究为解决有机小分子材料的固有溶解问题，构建高性能水系锌-有机电池开辟了新的分子设计范式。

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中文青年百人计划资助。宋子洋特聘研究员为论文第一作者，刘明贤教授为论文通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D6EE02250B