第一作者：张卫生
通讯作者：梅仕林，姚长江
通讯单位：北京理工大学
论文DOI：10.1002/anie.202515475
钾离子电池（PIBs）凭借资源储量丰富、成本低廉及与锂电相似的电化学特性，被广泛认为是后锂电时代的重要候选体系。然而，其低温运行性能仍受到严重制约，尤其是缺乏能够在极端条件下稳定工作的高性能正极材料。相比于刚性晶格结构的无机正极，有机分子正极因其柔性骨架、可逆性强和分子结构可设计性高，在理论上更适合缓解K+大半径带来的体积效应，并具备实现可逆储能的潜力。但其固有缺陷同样显著：电子导电性差、易在电解液中溶解、循环寿命有限，这些问题在低温下进一步放大，导致容量快速衰减和倍率性能下降。因此，如何通过分子设计在保证柔性可逆性的同时，提升有机正极的电子传导能力、结构稳定性与抗溶解性，是推动低温钾离子电池发展的关键问题。
近日，北京理工大学姚长江教授团队成功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：
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。
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。
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。
该研究成果以题为《Hydrogen-Bond-Stabilized Organic Potassium-Ion Full Cell Operating at −40°C》的论文发表于《Angewandte Chemie International Edition》。
Figure 1. (a) Synthetic route to the BQXTO sample. (b) FTIR spectrum of AQ, BCQDO, BQXDO and BQXTO. (c) HRTEM and XRD of BQXTO. (d) plots of reduced density gradient (RDG) vs. sign(I2)r, (e) the HBs intensity and π-π interactions calculated. (f) HOMO, LUMO and Eg of AQ, BQXTO, 2BQXTO, and ACTO.
Figure 2. Ex-situ spectra of BQXTO cathode, (a) XRD, (b) FTIR, (c) high-resolution O 1s XPS, (d) projected density of states (pDOS), (e) simulation of the potassium storage process of BQXTO and the corresponding molecular structure.
Figure 3. The performance evaluation of BQXTO-HC full cells. (a) Typical CV curves of the full batteries at a scan rate of 0.2 mV s-1, (b) cycle performance at 0.2 A g-1, (c) charge-discharge curves, (d) rate performance, (e) in situ EIS at different potential, (f) long-term cycling stability test at 10 A g-1, (g) comparison of full cell performance of BQXTO||HC with some representative potassium-ion full cells in literatures.
Figure 4. Electrochemical performances of HC-BQXTO full cells at -40oC. (a) The illustration is a schematic configuration of BQXTO||HC full cell, (b) dQ/dV curves, (c) Cycling performance at 0.2 A g-1. (d) energy density versus low temperature of some reported K-ion full-cells. (e) long-term cycling stability test at 1 A g-1.
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。
论文第一作者为北京理工大学机电学院博士研究生张卫生，通讯作者为北京理工大学姚长江教授和梅仕林研究员。详见: Wei-Sheng Zhang, Xian-He Chen, Chen-Xing Zhang, Yu-Xuan Guo, Wen-Li Hu, Shi-Lin Mei*, Zi Li, Qichun Zhang, Chang-Jiang Yao*. Hydrogen-Bond-Stabilized Organic Potassium-Ion Full Cell Operating at −40°C. Angew. Chem. Int. Ed.. 2025, e202515475.
https://doi.org/10.1002/anie.202515475
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