化学科学与工程学院刘明贤团队提出磷激活羧基小分子策略设计高性能铁离子电池，成果发表于《自然·通讯》

水系电池凭借本征安全、环境友好和成本优势，正成为下一代储能器件的重要研究方向。其中，铁离子电池因铁负极高理论比容量（960 mAh g⁻¹/7557 mAh cm⁻³）、适中氧化还原电势（−0.44 V vs. SHE）和极低成本，展现出广阔的应用前景，有望突破传统锂离子电池的成本与安全瓶颈。然而，铁离子电池性能长期受限于正极材料的发展：无机正极材料存在离子传输动力学迟缓、循环稳定性差等问题；有机正极（如聚苯胺）则面临活性位点利用率低、−NH−结构不稳定等缺陷，导致电池比容量和循环寿命难以兼顾。因此，设计具有高活性和结构稳定的有机正极材料，成为释放铁离子电池应用潜力的关键挑战。

化学科学与工程学院刘明贤教授团队长期致力于高效储能材料研究并应用于新能源电池开发，研究团队近期提出磷激活羧基小分子策略，通过精妙的分子工程设计，解锁了磷元素的氧化还原活性，实现了铁-有机电池性能的重大突破。研究团队设计三(4-羧基苯基)膦（PTBA）和三(4-羧基苯基)胺（NTBA）双极小分子正极材料，通过调控磷（P）和氮（N）电子给体基团，实现分子电荷分布与能量水平的精准调控，以及羧基/磷活性位点的高效协同，有效解决了有机小分子正极活性位点利用率不足及稳定性较差的难题，构建了高比容量和长循环寿命的水系铁-有机电池。相关成果以“Phosphorus-Activated Carboxyl Small Molecule Positive Electrode for High Specific Capacity and Long-Life Iron-Organic Batteries”为题，在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。  

实验表征和理论计算表明，得益于更低的电负性和能垒（N>P），PTBA展示出低能带间隙、高导电性和亲电活性，有助于提高电子转移动力学和电极氧化还原速率。  

电化学研究表明，磷激活策略实现高比容量与超长循环稳定性：PTBA正极凭借P扩展共轭结构，实现98.5%的羧基/磷活性位点利用率，基于4e⁻转移Fe²⁺/CF₃SO₃⁻混合存储机制，展现出276 mAh g⁻¹的高比容量，高倍率充放电（10 A g⁻¹）可稳定循环60,000次（容量保持率达77.6%），突破了传统有机正极“容量-稳定性”固有矛盾。      

异位光谱研究表明，PTBA的羧基/磷位点展示出高电化学活性，促进羧基位点与Fe²⁺稳定配位，并赋予CF₃SO₃⁻高效利用P活性中心，引发高度可逆的氧化还原反应。     

分子动力学模拟和理论计算揭示低能垒电荷存储机制，PTBA中P元素的低电负性和低能量壁垒（N>P），强化了Fe²⁺与羧基的配位作用，并促进CF₃SO₃⁻与磷中心的近距离相互作用，使活化能低至0.24 eV（低于NTBA的0.29 eV），显著提升了反应动力学。     

P连接的π共轭芳香骨架有效抑制了PTBA在水系电解液中的溶解，基于PTBA高载量（10.7 mg cm^-2 ）软包电池面积比容量达2.25 mAh cm⁻²，1000次循环后容量保持率91.3%。该研究工作为高性能、长寿命水系铁基储能器件开辟了新的分子设计范式。

化学科学与工程学院博士后张叶慧为论文第一作者，刘明贤教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委和上海市科委的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70800-w