有机材料因其资源可持续性、结构和功能可调性等优点，被视为极具前景的锌-有机电池正极材料。有机正极材料基于n型或p型氧化还原反应机制实现能量存储，其中n型有机材料（如羰基、亚胺、氰基、硝基化合物等）容量高，但平均放电电压低（<0.8 V）。相比之下，p型有机物（如三苯胺衍生物、仲胺化合物、氮氧自由基有机物等）因其电子能级低而表现出更高的氧化还原电压（>1 V），且有利于非金属阴离子高动力学存储，但基团单电子反应造成结构活性位点密度低。此外，大尺寸和低电荷密度的阴离子通常与p型有机物兼容性较差，导致其活性位点利用率低，限制电池容量和能量密度输出。因此，亟需开发阴离子兼容的多电子有机正极材料，进一步提升锌电池性能。

公司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，课题组近期设计了多电子杂环p型有机正极材料，实现了高电荷-小尺寸SO42−阴离子低反应能垒氧化还原反应和哌嗪/吩噻嗪位点的高效利用，有效解决了当前p型有机材料存在的问题，构建了高容量、高能量密度和长循环寿命的锌-有机电池。相关成果以“Unlocking the potential of a multi-electron p-type polyheterocycle cathode: when it meets a small-size and high charge anion”为题发表于国际知名期刊《化学科学》(Chemical Science)，并被编辑遴选为封面论文（Inside Back Cover）。

实验表征和理论计算表明，吩噻嗪和哌嗪单元结构通过卤键-仲胺的吸-给电子效应形成共轭聚合物（PHOs），展示出高密度双电子氧化还原活性中心、低能垒杂环电子离域路径和多给体-受体扩展共轭稳定骨架，有助于加快电子转移动力学和电极氧化还原速率，提高升材料结构稳定性。

分子动力学模拟和电化学研究表明，随着阴离子Stokes半径的减小和电荷密度的增大，（TFSI⁻→OTF⁻→SO₄²⁻），SO₄²⁻阴离子通过超低活化能（0.20 eV）与PHOs发生配位反应。

异位光谱和理论计算研究表明，哌嗪/吩噻嗪作为PHOs正极的双p型电活性中心，与小尺寸和高电荷的SO₄²⁻电荷载体反应，引发了稳定和快速的两步八电子氧化还原电荷存储过程。

PHOs正极材料用于水系锌-有机电池时，表现出高比容量（276 mAh g⁻¹）、高能量密度（317 Wh kg⁻¹）和长循环稳定性（100,000次充放电后容量保持率为71.4%）。这项工作为通过多电子活性位点设计及其与阴离子匹配提高有机材料储能性能提供了新的范式。

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。宋子洋特聘研究员、硕士生刘文博和博士生黄淇为论文共同第一作者，刘明贤教授为论文通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D5SC05022G