碳点破局！复旦大学王永刚/熊焕明，新发Angew：水系锌电池实现290mAh/g高容量与万次循环！

碳点（CDs）因其结构独特、性质优异，在电化学领域研究广泛。然而，在已报道的储能器件（如电池、超级电容器）中，CDs始终被视为惰性低容量材料，仅用作电极修饰添加剂或电解液调节剂。

2025年6月23日，复旦大学王永刚、熊焕明在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为《High-Capacity and Long-Life Cathode Constructed Solely by Carbon Dots for Aqueous Zinc Ion Batteries》的研究论文，Tian-Bing Song为第一作者，王永刚、熊焕明为论文共同通讯作者。

本研究首次以邻苯二胺衍生的碳点（p-CDs）作为唯一活性组分，构筑水系锌离子电池正极。p-CDs具有独特的π共轭吩嗪结构，其碳核赋予材料导电性，活性位点则实现Zn²⁺和H⁺的可逆嵌入/脱嵌。

该纯p-CDs正极在0.1A g^-1电流密度下比容量达290mAh g^-1，即使在10 A g^-1超高电流密度下，比容量仍保持103mAh g^-1，且离子扩散系数为10^-8~10^-7cm² s^-1。基于p-CDs组装的锌离子电池表现出优异的循环稳定性，10000次循环后容量保持率为87.4%。

多种表征与理论计算表明，p-CDs上的缺电子氮原子作为活性位点，能够可逆地嵌入/脱嵌Zn²⁺和H⁺。

图1：p-CDs的合成与结构表征。图a为邻苯二胺水热法合成p-CDs的流程示意图。图b为p-CDs的TEM和HRTEM图像，表现出单分散纳米颗粒形貌。图c、d为p-CDs的FTIR和XPS图像，证实C=N、-NH₂等基团的存在。图e为紫外可见吸收光谱图，表明p-CDs具有π共轭的吩嗪结构。图f为p-CDs的吩嗪基结构模型，碳核提供导电性，C=N基团为活性位点。

图2：p-CDs的储能机制。图a的原位ATR-FTIR图像显示充放电过程中C=N键可逆变化，证实H⁺嵌入/脱嵌。图b-d为0.1A g^-1下充放电曲线标注取样点（A-E），对应后续XPS分析。XPS分析进一步证实了C=N基团在放电过程中被还原为-C-N-物种，并在充电过程中恢复，表明H⁺和Zn²⁺的可逆嵌入/脱嵌。

图3：p-CDs的电化学性能。图a为DFT计算得到的HOMO/LUMO能级和能隙，表明其具有高导电性。图b为MESP图，显示N原子为富电子活性位点，有利于结合Zn²⁺/H⁺。图c为p-CDs的CV曲线。图d为p-CDs的充/放电曲线。图e为不同充/放电状态下的SEM图像。

图4：电化学性能测试。图a为p-CDs在扫描速率为0.2mV s^-1时的CV曲线。图b为充/放电曲线。图c、d分别为在0.1A g^-1和1A g^-1下的循环稳定性测试。图e为在不同电流密度下的充/放电曲线。图f为Zn║p-CDs电池的Ragone图。图g为在10A g^-1的高电流密度下的长循环稳定性。图h为p-CDs与其他正极材料的性能对比。

图5：反应动力学分析。图a为不同扫描速率下的p-CDs的CV曲线。图b为峰值电流与扫描速率的对数关系。图c为0.2mV s^-1扫描速率下电容贡献占比。图d为不同扫描速率下电容与扩散贡献比例。图e为30mA g^-1脉冲电流的GITT曲线及扩散系数。

综上，本研究颠覆碳点（CDs）作为惰性添加剂的局限，首次证实其可作为高性能独立正极材料。揭示缺电子氮位点驱动的可逆Zn²⁺/H⁺的嵌入/脱嵌机理，为双离子存储提供新范式。

创下有机正极材料中超高倍率长循环纪录，扩散系数比传统材料高2-3个数量级。为设计高离子传导、长寿命全碳正极开辟新途径，推动碳基材料在下一代储能器件中的应用。