近年来备受关注的有机结构功能材料，因其结构多样性和功能可调性等优点，被视为新型水系锌离子(Zn²⁺)电池极具竞争力的电极材料。由于较大水合离子半径和高去溶剂化能垒，Zn²⁺电荷载体界面反应动力学迟滞，其循环充放电过程中的反复嵌入和脱出也容易破坏电极结构，导致有机正极容量和稳定性的快速衰减。非金属电荷载体（例如，H⁺、NH₄⁺、OH⁻、Cl⁻）由于水合离子半径小、质量轻，能克服溶剂化Zn²⁺缓慢的界面电荷转移，实现快速的去溶剂化和迁移动力学。其中，离子半径最小、质量最低的H⁺成为非金属电荷载体的首选。尽管离子半径和迁移动力学低于H⁺，但正四面体结构的NH₄⁺可以通过氢键与有机活性基团配位，有效提升锌离子电池的稳定性。考虑到H⁺和NH₄⁺结构和功能的独特性，它们在有机正极中的协同作用有望能同时克服动力学和稳定性障碍，实现快速持久的储能，但尚未实现。

化学科学与工程学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，课题组近期揭示了有机超结构中稳定快速的非金属NH₄⁺/H⁺电荷载体共存储机制，解决了传统Zn²⁺高去溶剂化能垒导致界面电荷转移迟缓的问题，促进羰基位点的高效利用和低反应能垒氧化还原反应，构建了超快速和稳定的锌-有机电池，相关成果以“Non-Metallic NH₄⁺/H⁺ Co-Storage in Organic Superstructures for Ultra-Fast and Long-Life Zinc-Organic Batteries”为题发表于国际知名期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)。

课题组研究显示，电子属性互补的对苯醌（电子受体）和2，6-二氨基蒽醌（电子给体）通过分子内氢键（N−H‧‧‧O）和π−π平面堆叠自组装形成片状有机超结构，其展示出很强的亲电子活性和较低的能带间隙，有助于加快电子转移动力学和电极氧化还原速率。

研究人员将有机超结构正极材料用于水系锌-有机电池，其表现出高比容量（299 mAh g⁻¹@1 A g⁻¹）、高倍率性能（157 mAh g⁻¹@100 A g⁻¹）和优异的循环稳定性（50,000次充放电后容量保持率为82.8%）。

研究人员通过异位光谱研究，表明高度稳定的有机超结构能有效抑制活性官能团溶解，充分暴露羰基电活性中心，引发高度可逆的氧化还原反应；同时有机超结构克服了Zn²⁺去溶剂化能垒过高引起的动力学迟滞问题，促进了超稳定和快速的两步四电子NH₄⁺/H⁺电荷载体共存储。

理论计算也验证了有机超结构羰基位点与NH₄⁺/H⁺间存在强相互作用，稳定的两步4e⁻ NH₄⁺/H⁺配位促进电极/电解质界面电荷累积，显著提高了非金属电荷存储容量。此外，有机超结构组装策略可以拓展到不同种类型前驱体，实现材料的结构与功能调控，进一步提高锌-有机电池的容量（358 mAh g⁻¹）。有机超结构独特的非金属NH₄⁺/H⁺共存储机制为构建高性能水系锌-有机电池提供了一种新的策略。

刘明贤教授为论文通讯作者，化学科学与工程学院博士研究生张叶慧为论文第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和中国博士后科学基金会资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202316835