多电子硝基苯并噻二唑 sp 共轭炔基共价有机框架用于铵离子电池

为何需要一种新型电池

随着风能和太阳能在能源结构中占比不断增加，我们需要安全、寿命长且价格可承受的电池来储存光照和风力不足时的能量。当前主流电池主要依赖锂等金属，这类材料成本高且存在安全与供应方面的顾虑。本研究探索了一种截然不同的思路：基于水的电池，利用由常见元素如氮和氢构成的微小铵离子在精心设计的有机框架中迁移，目标是实现高容量、更安全并具卓越循环寿命。

水中更安全的载流子

研究者将注意力集中在水系铵离子电池上，这类电池以水作为液态电解质的主要成分，铵离子（NH4+）作为迁移的电荷载体。与常见金属离子如锂或钠相比，铵离子更轻、更不具腐蚀性，也不太可能在水中促发不期望的气体生成。它们天然形成四面体构型，可以通过氢键与周围原子发生结合。这种特殊的几何构型使铵离子成为可按分子水平精确设计的有机主体材料的有希望的配对对象。

设计稳健的有机骨架

有机电池材料常面临两个问题：会在电解液中溶解并逐渐流失，以及每个活性位点可能只参与一电子反应，从而限制了可存储的电荷量。为同时解决这两类问题，团队构建了一种结晶、多孔的聚合物——共价有机框架（COF）。在他们的新材料中，命名为硝基‑BTH‑COF，平面芳香构件通过刚性碳–碳三键连接成扩展的网格状骨架。在该骨架内嵌入硝基苯并噻二唑单元，这些单元提供了可进行双电子氧化还原反应的多个位点。其结果是一个高度有序的网络，拥有许多紧密排列、可重复使用的“停车位”用于容纳铵离子。

该骨架如何抓取与释放离子

通过光谱学实验与计算机模拟相结合，作者表明硝基‑BTH‑COF通过氢键驱动的配位来储存电荷。在放电过程中，铵离子先与硝基结合，然后与环上的邻近氮原子结合，在每个活性单元周围形成密集的氢键网络。该过程可涉及多达十二个电子的传递，并在充电时在很大程度上可逆。刚性、共轭的主链保持形状不变，防止框架坍塌或溶解。量子化学计算显示，该材料的电子结构有利于快速电子迁移，并且该离子结合反应的能垒低于缺少硝基的类似框架。

高容量与超长寿命

作为水系铵离子电池的负极进行测试时，硝基‑BTH‑COF 展现出显著高的比容量——高达317毫安时/克——并能在极高倍率下持续工作。最引人注目的是，在数万次快速循环后它仍保留超过90%的容量，远高于有机电极的典型寿命。与普鲁士蓝类类似物作为正极配对时，整组电池（计入正负极）达到约86瓦时/千克的能量密度，并在25,000次循环后仅出现轻微衰减，表明有机框架保持了结构完整性，而无机搭档最终发生了更多损耗。

这对未来电池意味着什么

对非专业读者而言，核心信息是：精心工程化的有机框架在水系铵离子电池中可以同时实现高能量存储与卓越的耐久性。通过将刚性共轭骨架与多电子活性位点相结合，研究者创造出一种材料，能够通过灵活的氢键网络接纳铵离子而不溶解或退化。这一设计策略拓展了构建安全、少金属电池的工具箱，未来有望帮助稳定电网中的可再生能源并为那些寿命与安全性与能量密度同等重要的设备提供动力。

引用: 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

关键词: 铵离子电池, 共价有机框架, 水系电池, 氢键驱动的电荷存储, 有机电极材料