Unraveling the Carbonyl Charge‐Storage Mechanism in Conjugated Carbonyl‐Based Organic Electrodes for High‐Performance Aqueous Zinc‐Ion Batteries

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作者
Xiao Ma,Yi‐xuan Gao,Yue Wang,Ya-jin CHEN,Fu-Rong Lin,Zhi‐Hui Zhang,Hanping Zhang,Peiyang Gu
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.75643
摘要

ABSTRACT Developing carbonyl‐based organic electrodes with multi‐active sites is crucial for advancing aqueous zinc‐ion batteries (AZIBs), but a fundamental understanding of their charge‐storage mechanism remains elusive. Herein, we elucidate this mechanism through the molecular design of a conjugated carbonyl compound ( DHB ) and its oxidized‐derivative ( o‐DHB ). While DHB undergoes a 4‐electron storage process, strategic oxidation expands this to a reversible 6‐electron process in o‐DHB . Remarkably, the resultant Zn||o‐DHB battery delivers an exceptional specific capacity of 323 mAh g − 1 even at a high current density of 5 A g − 1 and retains 71% of its capacity after 3,500 cycles, outperforming most reported organic AZIBs. Combined electrochemical and spectroscopic comparative analyses reveal that the high oxidation potential of terminal ortho‐hydroxyl groups (C─O─H) in DHB inhibits their full utilization. In contrast, o‐DHB enables the reversible reduction of both ortho‐ and para‐C = O groups at relatively low potentials to form C─O─Zn bonds, confirming Zn 2+ migration—not H + insertion—as the dominant charge‐storage mechanism. Theoretical calculations further demonstrate that the oxidation engineering lowers the LUMO energy and narrows the HOMO–LUMO gap of o‐DHB , promoting electron delocalization, enhancing conductivity, and accelerating reaction kinetics. This work provides profound mechanistic insights and establishes a molecular design principle for developing high‐performance organic cathodes for AZIBs.
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