注：文末有本文科研思路分析
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，传统无机正极材料在低温环境下易出现容量衰减、离子扩散受阻以及循环稳定性差等问题，这严重限制了其在极端环境下的实际应用。为解决这一瓶颈，如何设计兼具高导电性、结构稳定性和低温适应性的全新正极材料，成为该领域亟需突破的关键问题。近日，北京理工大学姚长江教授团队在这一方向取得重要进展，他们通过分子设计策略，成功合成出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），并实现了在低温条件下依旧保持高性能的储钾能力。
图1. BQXTO分子间氢键网络及π–π堆积作用示意图
与常见的无机正极不同，该团队的设计独特之处在于充分利用分子间氢键与π–π相互作用的协同效应。氢键网络能够有效调控分子电子结构，降低LUMO 能级、缩小带隙并显著提升电子传导性；π–π堆积则进一步增强分子间稳定堆积模式，抑制溶解并在钾离子嵌脱过程中维持结构可逆性。这一策略不仅在分子层面优化了电荷传输路径，同时在宏观尺度上赋予电极材料优异的稳定性。得益于这一分子设计，组装的BQXTO||HC全电池展现出令人瞩目的性能：在10 A g-1的大电流密度下，依然能够稳定循环20000次，保持约70%的容量和近99.5%的库仑效率；更为突出的是，即使在−40 °C的极寒环境下，该电池依旧能够实现188Wh kg-1(cathode)的高能量密度，在低温性能上优于大多数已报道的钾离子全电池体系。这一成果不仅展示了氢键和π–π协同作用在有机正极设计中的巨大潜力，也为未来在寒区交通、极地科考、航天探索及国防装备等低温储能场景的应用提供了重要思路。
图2. BQXTO||HC全电池在-40°C下的电化学性能
该成果发表于Angewandte Chemie International Edition，文章的第一作者为北京理工大学博士研究生张卫生，通讯作者为北京理工大学姚长江教授和梅仕林研究员。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Hydrogen-Bond-Stabilized Organic Potassium-Ion Full Cell Operating at −40°C
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*
Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202515475
导师介绍
姚长江
https://www.x-mol.com/university/faculty/234262
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？
A：本研究的初衷在于解决钾离子电池在低温环境下性能急剧衰减的核心瓶颈。传统无机正极在低温下普遍出现离子扩散受阻和结构不可逆问题，而有机小分子正极虽然具备柔性骨架和可设计性，但其固有缺陷：电子导电性差、易溶解于电解液、循环稳定性不足，在低温下更为突出。研究团队由此提出一个关键设想：能否通过在有机分子中引入分子间氢键与π–π堆积相互作用，协同实现电子结构优化和结构稳定性增强，从而赋予有机正极在极端低温下依然保持高效储能的能力。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：在研究实施过程中，团队首先面临分子设计上的挑战——如何在分子骨架中合理嵌入氢键供体与受体，使其既能稳定分子堆积，又不会削弱电化学活性。其次，低温电化学测试本身难度较高，在–40°C条件下，需要确保电解液的稳定性、界面副反应的可控性以及电池整体封装的可靠性。此外，为了明确氢键和π–π作用在储钾过程中的实际贡献，研究人员必须结合多维度表征手段（XRD、FTIR、XPS等）与理论计算（DFT），系统解析活性位点和储钾机制，这对实验设计与数据验证提出了较高要求。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：团队成功构建了氢键稳定有机正极 BQXTO，并实现了在–40°C下依然具备188 Wh kg-1能量密度与2000圈88.2%容量保持率的全电池性能。该成果不仅为有机电极的分子设计提供了新参考，也为低温环境下的能源应用提供了解决方案，未来可服务于寒区交通、极地科考、深空探测以及国防装备等领域，相关能源企业与科研机构都可能从中受益。
