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水系鋅離子電池(AZIBs)的有機正極具有固有的靈活性和良好的動力學特性，但它們的溶解度較高。

在此，南開大學陶占良教授&南洋理工大學范紅金教授團隊提出部分電荷調節策略，設計具有擴展π共軛平面的有機小分子，即苯并[i]苯并[6′,7′]喹喔啉[2′,3′:9,10]菲[4,5-abc]吩嗪-5,10,16,21-四酮(PTONQ)。

PTONQ分子的延伸π共軛平面引起的活性位點電荷均衡與高芳香性相結合，使分子溶解度低、電荷轉移快、結構穩定性高。所制造的Zn//PTONQ電池在175 mA g^-1下循環超過500小時、容量衰減小，充放電動力學快，抗凍性能好(-20℃以下)。

圖1. 理論計算和模擬

總之，該工作通過部分電荷調節策略，在不犧牲有機正極氧化還原動力學的情況下，有效緩解了可解決的問題。同時成功合成PTONQ這種具有擴展π共軛平面的有機小分子。最終，Zn//PTONQ電池在各種電流密度和溫度下均表現出較長的循環壽命(在-20℃時，175 mA g^-1下為500小時，10 A g^-1下為10000次循環，1.4 A g^-1下為1000次循環)。

此外，PTONQ顯示出Zn²⁺主導的電化學反應，而沒有H⁺的參與。并且在放電狀態下觀察到Znx(CF₃SO₃)_y(OH)₂x-y·nH₂O副產物是由于正極-電解質界面上的Zn²⁺富集而不是H⁺消耗所致。因此，該項工作為有機正極的可解決問題提供了一個合理的解決方案，并加深了對其副產物形成機制的理解。

圖2. PTONQ的離子存儲機制

Dynamic Balance of Partial Charge for Small Organic Compound in Aqueous Zinc-Organic Battery, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202306675

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陶占良/范紅金AFM：水系有機鋅電池中小分子有機化合物部分電荷的動態平衡

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