该研究由胡明军博士(北京航空航天大学材料科学与工程学院)和罗军教授(电子科技大学深圳高等研究院深思实验室，深圳龙华 518110)领导)和杨军教授(中国科学院北京纳米能源与系统研究所，北京 101400)。
水系质子电池在高功率和超低温储能装置方面显示出巨大潜力，但高容量、低电位阳极材料的稀缺仍然在很大程度上限制了其能量密度，从而限制了其在水系电池中的竞争力。近年来，有机电极材料因其可设计的分子结构和丰富的活性位点而显示出作为质子电池高容量阳极的巨大潜力。然而，由于其低电导率和复杂的分子结构效应，其容量仍然受到活性位点利用率低的限制。为了进一步挖掘有机电极材料在储能方面的潜力，探索精确的分子结构对电荷存储的影响对于进一步提高电极性能具有重要意义。
众所周知，材料结构决定其性能和功能。对于有机电极，其比容量主要受活性位点的密度和利用率的影响。高比容量需要高活性位点密度，但高活性位点密度通常会导致高位阻，从而导致活性位点利用率低。这一矛盾对有机电极比容量的提高提出了明显的挑战。因此，迫切需要研究有机电极的空间位阻对其比容量的影响。空间位阻差异较小的电活性立体异构体是研究空间位阻与比容量关系的最佳模型分子。研究和比较立体异构体的合成和电化学性能对于指导分子结构设计和改善电极性能是有趣且有意义的。迄今为止，还没有研究立体异构体的精确分子结构(空间位阻)对电化学性能影响的报道。
在这项工作中，研究人员通过调整溶剂、反应温度和催化剂，报道了对称六氮杂三苯并蒽醌(s-HATBAQ)和不对称异构体(a-HATBAQ)两种异构体的可控合成，并观察到两种异构体显着不同的电化学性能异构体。研究发现，在酸性电解质中，s-HATBAQ比a-HATBAQ具有1.5倍高的比容量和更好的倍率性能，这主要归因于s-HATBAQ活性位点周围质子插入的空间位阻较弱，这一点已由实验和DFT计算结果。为了最大限度地利用活性位点，研究人员在还原氧化石墨烯(rGO)上原位生长 s-HATBAQ，以进一步提高电导率。结果，s-HATBAQ-50% rGO复合材料在5 MH 2 SO 4电解质中在0.1 A g -1下提供了405 mAh g -1的创纪录高比容量。
研究人员进一步开发了一种防冻电解质(5 MH 2 SO 4 +0.5 M Mn(BF 4 ) 2 )，在-80 ℃下表现出令人印象深刻的离子电导率213.8 mS cm -1 。当将该电解液应用于以MnO 2 @CF-KOH为正极、s-HATBAQ-50% rGO为负极的世伟洛克电池时，质子全电池表现出优异的倍率性能(2 A g时为210 mAh g -1 -1和 111 mAh g -1 (80 A g -1 ) 和出色的循环稳定性，在 5 A g -1下循环 26000 次后容量保持率为 96% 。在-80℃下，电池在0.1 A g -1下的初始容量为91.9 mAh g -1 ，并在0.5 A g -1下循环超过1000次，容量保持率~92% 。这项工作不仅对高性能宽温范围水系质子电池的研究具有启发意义，而且突出了分子水平的精确结构调控，以提高有机电极的性能，推动有机储能的发展。
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