具有高容量和合适氧化还原电位的负极材料，对于提高水系钠离子电池（ASIBs）的能量密度至关重要。有机负极材料因其可调节的电化学性能而具有广阔应用前景，然而电活性位点不足导致容量较低，这阻碍了能量密度提高，因此设计具有多个氧化还原活性位点的有机分子至关重要。
在此，华中科技大学方淳等人提出了一种通过调控共轭体系内离域电子的空间分布来激活氧化还原位点的策略，并且通过提高电子密度，醌环成功被激活成为新的可逆钠离子存储位点。
研究显示，所制备的具有电活性醌环的2,5-二羟基-1,4-苯醌钴（Co-DHBQ）展现出183 mA h g⁻¹的优异容量，并伴随着多电子转移。得益于高容量，Co-DHBQ||Na₂Mn[Fe（CN）₆]·2H₂O（MnHCF）全电池可输出110 W h kg⁻¹的超高能量密度（基于正负极活性材料总质量），且循环寿命可达3000次。
图1. Co-DHBQ和Mn-DHBQ负极的电化学性能
总之，该工作研发出一种通过调控电子分布来激活有机电极材料中钠离子存储位点的策略。在具有强电子离域的有机共轭分子中，通过调节金属中心的电子构型可诱导电子再分布。
特别是，与Mn²⁺（3d⁵）相比，Co²⁺（3d⁷）拥有更多的3d电子，这些电子通过d-π共轭，促使更多3d电子离域到M-DHBQ的整个离域体系中。由于电子云密度增强，Co-DHBQ中的醌环呈现负静电势，并成功被激活成为新的钠离子存储位点。
基于此，Co-DHBQ展现出183 mA h g⁻¹的优异容量以及氧化还原电位。此外，由MnHCF正极和Co-DHBQ负极组装而成的全电池输出了前所未有的110 Wh kg⁻¹的高能量密度。因此，该工作不仅为ASIBs负极提供了一个新的材料体系，还探索出一种简便且通用的策略来激活有机电极材料中的氧化还原位点，为开发高容量有机电极和设计高能量密度ASIBs提供了一条颇具前景的途径。
图2. 理论模拟
Activating Redox Chemistry of Quinones for High Energy Density Aqueous Sodium-Ion Batteries, Journal of the American Chemical Society 2025 DOI: 10.1021/jacs.4c14676