Многоволоконные нитробензотиадиазольные sp‑сопряжённые алкиновые ковалентные органические каркасы для аммоний‑ионных батарей

Почему важен новый тип батареи

По мере того как наша энергетика всё сильнее опирается на ветер и солнце, нужны безопасные, долговечные и недорогие аккумуляторы для хранения энергии в периоды, когда солнце не светит и ветер не дует. Сегодняшние рабочие лошадки в основном основаны на металлах, таких как литий, которые дороги и вызывают вопросы безопасности и поставок. В этой работе рассматривают принципиально иной подход: водные батареи, которые перемещают крошечные аммоний‑ионы — собранные из распространённых элементов, таких как азот и водород — через специально разработанный органический каркас, с целью добиться высокой ёмкости, безопасности и исключительно долгого срока службы.

Более безопасный носитель заряда в воде

Авторы сосредоточены на водных аммоний‑ионных батареях, где вода служит основной составляющей жидкого электролита, а аммоний‑ионы (NH4+) — подвижными носителями заряда. По сравнению с привычными металлическими ионами, такими как литий или натрий, аммоний‑ионы легче, менее коррозионны и реже вызывают нежелательное выделение газов в воде. Они естественным образом образуют тетраэдрическую форму и могут сцепляться с соседними атомами через сеть водородных связей. Эта особая геометрия делает аммоний перспективным партнёром для органических матриц, которые можно точно проектировать на молекулярном уровне.

Проектирование прочного органического скелета

Органические материалы для батарей часто сталкиваются с двумя проблемами: они могут растворяться в электролите и постепенно вымываться, и при этом использовать лишь один электрон на активный центр, что ограничивает ёмкость. Чтобы одновременно решить обе задачи, команда создала кристаллический пористый полимер — ковалентный органический каркас (COF). В новом материале, названном nitro‑BTH‑COF, плоские ароматические строительные блоки связаны жёсткими углеродно‑углеродными тройными связями в развернутый решётчатый скелет. Внутри этого скелета встроены нитробензотиадиазольные фрагменты, которые дают множество сайтов, способных участвовать в двухэлектронных редокс‑реакциях. В результате получается высокоупорядоченная сеть с множеством плотно упакованных, многократно используемых «мест парковки» для аммоний‑ионов.

Как каркас захватывает и отдаёт ионы

Сочетая спектроскопические эксперименты и компьютерное моделирование, авторы показывают, что nitro‑BTH‑COF хранит заряд через координацию, управляемую водородными связями. При разряде аммоний‑ионы сначала присоединяются к нитрогруппам, а затем к соседним атомам азота в кольце, формируя плотную сеть водородных связей вокруг каждого активного узла. Этот процесс включает до двенадцати электронов на единицу и во многом обратим при повторной зарядке батареи. Жёсткий сопряжённый остов сохраняет форму на протяжении цикла, предотвращая коллапс или растворение каркаса. Квантово‑химические расчёты показывают, что электронная структура материала способствует быстрому перемещению электронов, а энергетический барьер для реакции связывания иона ниже, чем в аналогичном каркасе без нитрогрупп.

Высокая ёмкость и очень долгий срок службы

При испытании в качестве отрицательного электрода в водной аммоний‑ионной ячейке nitro‑BTH‑COF показал удивительно высокую удельную ёмкость — до 317 миллиампер‑часов на грамм — и сохранял работоспособность даже при очень высоких скоростях заряда‑разряда. Наиболее впечатляюще то, что он сохранил более 90% ёмкости после десятков тысяч быстрых циклов, что намного превосходит типичный срок службы органических электродов. В паре с аналогом прусского синего в роли положительного электрода полный элемент достиг энергетической плотности около 86 ватт‑часов на килограмм (считая оба электрода) и выстоял 25 000 циклов с лишь умеренным снижением, что указывает на то, что органический каркас остаётся структурно целым, тогда как неорганический партнёр со временем изнашивается.

Что это значит для будущих батарей

Для неспециалистов главный вывод таков: тщательно спроектированные органические каркасы в водных аммоний‑ионных батареях могут обеспечить одновременно высокую энергоёмкость и выдающуюся долговечность. Соединяя жёсткий сопряжённый скелет с многoeлектронными активными центрами, исследователи создали материал, который принимает аммоний‑ионы через гибкую сеть водородных связей, не растворяясь и не деградируя. Эта стратегия проектирования расширяет инструментарий для создания безопасных, с минимальным содержанием металлов батарей, которые в перспективе помогут стабилизировать возобновляемую энергетику в сети и питать устройства, где долговечность и безопасность так же важны, как и плотность энергии.

Цитирование: Chen, Y., Zhang, D., Qin, Y. et al. Multi-electron nitrobenzothiadiazole sp-conjugated-alkynyl covalent organic frameworks for ammonium-ion batteries. Nat Commun 17, 3599 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70370-x

Ключевые слова: аммоний‑ионные батареи, ковалентные органические каркасы, водные батареи, хранение заряда с помощью водородных связей, органические электродные материалы