本报天津消息(记者 张熙 通讯员 马超)近日，南开大学陈军院士团队在“可持续醌电极的高容量水系锌二次电池”研究方面获得突破，该工作首次系统研究了醌类电极材料在水系锌电池中的应用，相关成果发表于美国科学促进会杂志《科学进展》。陈军为通讯作者。

　　与无机电极材料相比，有机电极材料包含碳、氢、氧等廉价丰富元素，具有轻质、环保、可设计合成制备等突出优点，在电化学储能领域极具吸引力。特别是醌类化合物在自然界中无处不在，研究人员从植物、真菌、海洋动物和昆虫中发现了超过2400种的醌类。这些醌类在药物和生物电子/离子转移等领域发挥着重要作用，在动物和人体内，醌类材料辅酶被认为是细胞呼吸和代谢的“激活剂”。

　　目前，电活性醌电极一般使用有机电解质，根据相似相容原理，醌类化合物易溶解于有机溶剂，带来活性物质损失和电池寿命短等难题。研究人员利用电解质改性、聚合、盐化、负载等方法，提高了醌类的容量保持率。另一方面，醌电极水溶性低，将其应用于水系电池是一个很好选择。水系电解质还具有成本低、操作简单、环境友好、安全性高等突出优点。锌价格低廉、理论高容量高达820毫安时每克，具有良好的水兼容性和稳定性，适合规模应用。因此，可充电水系锌电池发展潜力巨大，然而可充水系锌电池发展受制于正极材料选择种类少、锌脱嵌动力学慢等难题。发展基于非脱嵌反应机制和多电子转移的新型有机醌类电极材料，有望提升锌电池容量和循环稳定性。

　　南开大学陈军院士团队多年来一直致力于有机醌类电极材料的设计、制备和应用。近日，他们通过合理结构设计将醌类化合物应用于可充水系锌电池。通过对比研究系列醌类化合物，团队发现，具有4个对苯醌结构单元和8个羰基的杯醌类正极材料，能够获得335毫安时每克的比容量，充放电平台电压差低至70mV，能量效率高达93%，容量远超目前所报道的大部分正极材料，并且循环1000次之后，容量保持率为87%，循环稳定性可与无机电极材料媲美。

　　同时，团队研究人员创新性使用静电势计算方法结合原位红外、拉曼和紫外可见光谱等实验手段，研究推演了有机醌类材料在电池反过程中的活性位点以及结构变化，拓展了电化学理论与实验结合新方法。该团队进一步构建了有机水系锌全电池，基于醌正极材料和理论上使用的最低锌负极质量进行计算，能够提供220瓦时每公斤的能量密度，远超目前使用的水系铅酸电池，也与目前商业化的锂离子电池相当。由于该电池体系具有能量密度高、安全可靠、绿色环保等优点，为电动汽车、规模储能等重大应用提供了新选择。