水系电池由于其高安全性和低成本，是一类非常有前景的大规模储能器件。其中，水系质子电池由于具有资源可持续和优异的电化学性能，受到人们广泛关注。通常，质子电池具有两种不同的活性组分，其需要分开制备并进行性能优化，这将导致较高的成本。质子电池电化学性能主要决定因素之一是正极材料的设计，在众多正极材料中，有机材料具有可再生、环境友好和结构可调控等特点，通过有机电极材料分子结构调控，可设计具有不同氧化还原对的有机分子作为对称全有机质子电池的正负极，实现质子在其中的嵌入/脱出行为。另外，由于较高的质子嵌入能垒，强酸（如硫酸）往往被用于电解液为质子电池提供质子。然而，强酸性电解液的使用会对电池的电极和集流体造成严重的腐蚀，这将影响质子电池的电化学稳定性。而且，强酸的使用使得质子电池的组装工艺复杂化，强酸的泄露也会对环境造成严重的污染，限制了其大规模应用。因此，设计和开发中性体系中的对称全有机质子电池具有重要的意义。

近日，南开大学牛志强研究员与陈军院士合作，设计开发了一种基于聚（2, 9-二氢喹啉并[2,3-b]吩嗪）（PO）分子的全有机质子电池，改该电池在ZnSO4电解液中实现质子的嵌入/脱出行为。PO分子中相邻的C=N官能团具有两种不同的化学环境，导致两步的氧化还原反应。而且，PO分子与其还原产物（PR）的LUMO能具有较大的差异，因此这两步氧化还原反应展示出较大的电压差。此外，具有C=N官能团的PO分子可以作为一种中性有机碱，即使在ZnSO4电解液中也可以通过配位反应螯合质子，因此，上述中性体系全有机质子电池被开发。该电池展现出147 mAh g^-1（0.1 A g^-1）的可逆比容量。由于质子快速的嵌入/脱出的反应动力学，该质子电池也展现出优异的倍率性能，即使在2 A g^-1的电流密度下，该电池仍保持90 mAh g^-1的比容量。此外，PO及PR分子π共轭的芳香结构，加强了π-π分子间的相互作用，抑制了其在水系电解液中的溶解，因此，该全有机质子电池还展现出优异的循环稳定性，在1 A g^-1的电流密度下，该质子电池循环500圈仍具有94%的高的容量保持率。这项工作扩展了质子电池体系，并为开发安全、可持续和高性能的质子电池提供了思路。

论文信息：

A Symmetric All-Organic Proton Battery in Mild Electrolyte

Zhiwei Tie,Shenzhen Deng,Hongmei Cao,Minjie Yao,Prof. Zhiqiang Niu,Prof. Jun Chen

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202115180