有机材料因其结构多样性和功能可调性等优点，被视为新型水系锌离子电池极具竞争力的电极材料。根据活性基团类型，有机材料可分为n型、p型和双极型三类。n型有机材料（如羰基/亚胺/氰基/硝基化合物等）容量高，但其平均电压低（<0.8 V）；p型有机材料（如三苯胺衍生物、有机硫聚合物等）通常具有较高的平均放电电压，但其容量低（<250 mAh g⁻¹）。双极型有机材料集成了高容量n型和高电压p型基团的氧化还原反应优势，为高性能锌-有机电池设计开辟了新的途径。然而，双极型有机材料仍存在活性位点密度低和结构稳定性差的问题，导致锌电池能量密度和循环寿命偏低。因此，亟需开发新型的多重双极活性和高结构稳定性的有机正极材料，进一步提升锌电池性能。

化学科学与工程学院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，课题组近期从材料的活性位点与微结构设计角度出发，提出了多氮杂环供体-受体自组装构筑双极性有机超结构材料的新方法，促进了低反应能垒的Zn²⁺/OTF⁻相反离子交替配位，揭示了n型亚胺和p型叔氮协同氧化还原电荷存储机制，有效解决了当前双极型有机材料存在的问题，构建了高能量密度和长循环寿命的锌电池，相关成果以“Multi-N-Heterocycle Donor-Acceptor Conjugated Amphoteric Organic Superstructures for Superior Zinc Batteries”为题发表于国际权威期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)。

课题组研究显示，电子受体三聚氯氰和电子给体哌嗪通过氢键和π−π平面堆叠自组装形成花状有机超结构，展示出高密度活性位点、高度共轭的双极性结构和低能带间隙，有助于加快电子转移动力学和电极氧化还原速率。

有机超结构正极材料用于水系锌-有机电池时，表现出高比容量（465 mAh g⁻¹@0.1 A g⁻¹）、超高能量密度（412 Wh kg⁻¹）和优异的循环稳定性（70,000次充放电后容量保持率为80.5%）。

研究人员通过异位光谱研究，表明亚胺/叔氮作为有机超结构的n型和p型电活性中心，分别与Zn²⁺和OTF⁻电荷载体反应，引发高度可逆的连续阴/阳离子共配位反应。

动力学分析和活化能计算表明，有机超结构实现了低反应能垒的Zn²⁺/OTF⁻相反电荷交替配位过程，有效消除了相同离子间库伦斥力影响，促进了稳定和快速的两步18e⁻氧化还原能量存储过程。这项工作为通过活性位点和微结构协同设计提高有机材料储能性能提供了新的视角。

刘明贤教授为论文通讯作者，博士后宋子洋为论文第一作者。该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。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202418237