近日，韩明明助理研究员与浙江大学杭州国际科创中心程豪研究员合作，在顶级期刊Nature communications上（中科院一区TOP，最新影响因子为18.1）在线发表学术论文 “Cavity-Enabled Supramolecular Regulation of Capacitive–Redox Bromine Electrochemistry in Zinc–Bromine Batteries”。韩明明助理研究员与其硕士研究生丁勇星为共同第一作者。
图1.实现协同电容式氧化还原溴化物电化学的超分子微反应器策略
电化学储能装置的理想发展要求在能量密度、功率密度和循环寿命三个关键参数上同时取得突破。然而，电极材料面临着一个基本困境：电容过程能够实现快速充放电和高功率输出，但储能容量有限；而法拉第氧化还原反应虽然可以提供更高的理论容量，却通常受到缓慢反应动力学和循环过程中结构退化的限制。
水系锌基储能系统正是这一矛盾的典型体现。锌离子混合电容器依赖于碳基正极的双电层/赝电容机制，具有优异的功率性能和循环稳定性，但其容量受限于碳材料较低的电化学活性。而锌溴电池基于Br₂/Br⁻氧化还原电对，具有335.5 mAh/g的高理论比容量和约1.82 V（vs. Zn²⁺/Zn）的适宜反应电位，但由于多溴化物的穿梭效应和缓慢的转化动力学，始终难以同时实现高实际容量和循环稳定性。传统的优化策略，如杂原子掺杂或物理/化学限域，虽然能带来渐进式改进，但本质上无法克服单一机制固有的局限性。基于上述问题，本文提出了一种基于空腔超分子微反应器的分子工程策略。针对锌溴电池中电容过程与氧化还原过程之间的内在矛盾，以及多溴化物穿梭效应和缓慢转化动力学制约容量与循环稳定性的关键问题，设计了基于柱芳烃分子空腔（BEP6A）的超分子微反应器，通过分子尺度的离子调控为突破电极材料本征限制提供了全新范式。
图2.电化学性能评估
本文以1，4-二乙氧基苯为单体单元合成具有约6-7 Å空腔的BEP6A大环分子，利用其内壁负电势、开口正电势的轴向静电分布，在低电压下作为离子存储基质容纳Zn²⁺和K⁺，在高电压下通过色散力主导的非共价相互作用（贡献-24.4 kcal/mol）实现对Br₃⁻的强锚定（结合能-58.4 kcal/mol）并降低其形成自由能，从而同步实现电容性离子存储与法拉第氧化还原转化动力学的协同增强。得益于这一策略，BEP6A对多溴化物的平衡吸附容量达7.1 g/g（60 mM），去除效率保持在98.7%以上，锌溴电池在0.83 A/g电流密度下比容量达481.8 mAh/g，在8.3 A/g高电流密度下经1500次循环后容量保持率达89.4%，单层软包电池在1.66 A/g下提供417.1 mAh/g比容量并稳定循环100次，性能优于已报道的锌-卤素电池体系。