近日，澳彩网-澳彩app-澳门彩票网官方平台 姚长江团队在国际顶级期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）发表题为” Hydrogen-Bond-Stabilized Organic Potassium-Ion Full Cell Operating at −40°C”的研究论文（DOI: 10.1002/anie.202515475），该工作第一作者为北京理工大学博士研究生张卫生，通讯作者为姚长江教授和梅仕林研究员。
当前，极端环境下的能源存储需求日益迫切，但适用于低温环境的高性能电池体系仍然匮乏。钾离子电池（PIBs）因钾资源丰富、成本较低，且电化学机制与锂离子电池相近，被认为是具有发展潜力的候选体系。然而，其在低温条件下性能显著下降，关键瓶颈之一在于缺乏能够稳定工作的正极材料。相较于刚性结构的无机正极，有机正极材料凭借其柔性骨架和可调控的分子结构，在适应钾离子大半径嵌入/脱出方面更具优势，理论上更有利于低温下的可逆储能。然而，该类材料普遍存在导电性差、易溶解、循环稳定性不足等问题，在低温环境下进一步加剧，导致容量衰减迅速、倍率性能受限。因此，如何在保持其柔性可逆特性的同时，通过分子设计提高导电性、结构稳定性和抗溶解性，是发展低温钾离子电池的关键。本文设计了一种基于氢键稳定的有机小分子正极材料—1,4-二氢并[g]喹喔嗪-2,3,5,10-四酮（BQXTO）。该材料利用分子间氢键（N–H···O）与π–π堆积作用的协同机制，在结构与性能方面实现多项突破：
（1）电子结构调控：氢键作用显著降低了材料的LUMO能级并缩小带隙，促进电荷离域与电子迁移，从而大幅提升分子导电性。
（2）结构稳定性增强：氢键网络与π–π堆积共同构建了稳定的分子堆积结构，在钾离子嵌入/脱出过程中有效缓解体积应变，实现高度可逆的结构稳定。
（3）电化学性能优异：基于BQXTO组装的全电池（BQXTO||HC）不仅在常温下表现出优越的电化学性能。即使在–40°C的极端低温条件下，仍能保持188 Wh kg-1的高能量密度，循环2000圈后容量保持率高达88.2%，同时在高倍率运行中展现出出色的可逆性，其综合性能优于多数已报道的钾离子全电池体系。
图1. (a) BQXTO样品的合成路线示意图。(b) AQ、BCQDO、BQXDO和BQXTO的FTIR图谱。(c) BQXTO的HRTEM形貌图像及XRD图谱。(d) 约化密度梯度(RDG)与电子密度符号函数sign(λ₂)ρ的散点分布图。(e) 通过量子化学计算获得的氢键(HBs)作用强度及π-π堆积相互作用能数据。(f) AQ、BQXTO、2BQXTO及对比化合物ACTO的分子轨道能级分布：最高占据分子轨道(HOMO)、最低未占分子轨道(LUMO)及能隙(Eg)计算值对比。
图2. BQXTO正极的非原位光谱分析，(a) XRD图谱，(b) FTIR图谱，(c) 高分辨率O1s XPS精细谱，(d) pDOS分布图，
(e) BQXTO钾存储过程模拟及其对应的分子结构演变示意图。
图3. BQXTO-HC全电池的性能评估。(a) 全电池在0.2 mV s-1扫描速率下的CV曲线；(b) 在0.2 A g-1电流密度下的循环性能；(c) 充放电曲线；(d) 倍率性能；(e) 不同电位下的原位EIS测试；(f) 在10 A g-1电流密度下的长期循环稳定性测试；(g) BQXTO||HC全电池与文献中代表性钾离子全电池的性能对比。
图4. HC||BQXTO全电池在-40°C低温下的电化学性能。(a) BQXTO||HC全电池的结构示意图；(b) dQ/dV曲线；(c) 0.2 A g-1电流密度下的循环性能；(d) 已报道钾离子全电池的能量密度与低温适应性对比图；(e) 1 A g-1电流密度下的长期循环稳定性测试。
该工作首次在低温钾离子电池中验证了氢键与π–π协同作用对于提升有机正极电化学性能的有效性，提出了一条兼具电子结构调控与结构稳定性增强的分子设计新路径。未来这一策略有望推广至更多有机电极分子体系，为实现极端环境下的高性能储能提供理论指导与材料基础，推动低温PIBs在寒区交通、极地科考、航空航天等场景中的实用化应用。
文章链接：//onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202515475