文章信息
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
研究背景
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。
文章亮点
近日，北京理工大学姚长江教授和梅仕林研究员团队在《Angewandte Chemie International Edition》上发表题为“Hydrogen‐Bond‐Stabilized Organic Potassium‐Ion Full Cell Operating at –40°C”的研究论文，报道了一种通过分子间氢键和π–π相互作用协同稳定的有机小分子正极材料—1,4-二氢苯并[g]喹喔啉-2,3,5,10-四酮(BQXTO)，实现了钾离子全电池在极低温条件下的高效稳定运行。
本文要点
要点一：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。
要点二：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。
要点三：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。
总结与展望
本研究提出一种通过分子间氢键和π–π作用协同稳定的新型有机小分子正极材料 BQXTO，并构建了可在极寒环境运行的钾离子全电池。研究表明，氢键网络有效增强了分子骨架稳定性，π–π堆叠促进电子传输，组装的BQXTO||HC全电池展现出优异的倍率性能和超长循环寿命，在10 A g-1条件下运行20000次循环，仍能维持约70%的容量和近99.5%的库仑效率。即使在−40℃下仍能保持188 Wh kg⁻¹的高能量密度。这一成果为低温条件下高性能有机钾离子电池的设计提供了重要思路。
文献信息
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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