非金属电池的电压困境
随着锂资源短缺与回收难题日益凸显，基于非金属载流子（如铵离子NH₄⁺）的电池因安全性高、成本低和动力学快等优势成为研究热点。然而，传统NH₄⁺电解质电化学窗口狭窄（≤1.23V），即使采用有机溶剂体系，其分解电位仍受限于N-H键的还原反应（-1V vs SHE），导致铵基电池最高电压仅2.75V，严重制约能量密度提升。
梯形聚合物解锁3.8V高压电池
中科院宁波材料所王刚研究员、陈亮研究员和德国莱布尼茨固态和材料研究所E. Dmitrieva教授合作开发了一种基于共轭梯形聚合物聚苯并双咪唑苯并菲咯啉（BBL）的季铵盐（NR₄⁺）双离子电池（DIB）。该电池以BBL@碳纳米管（CNTs）为阳极存储NR₄⁺，石墨为阴极嵌入TFSI⁻阴离子，工作电压高达3.8V，基于石墨质量的能量密度和功率密度分别达232 Wh/kg和6865 W/kg，循环稳定性优异且无容量衰减。
技术突破详解：从材料设计到全电池性能
1. 季铵盐电解质：拓宽电压窗口
研究团队合成四种季铵盐电解质（NH₄⁺/NMe₄⁺/NEt₄⁺/NPr₄⁺TFSI），通过烷基链取代将还原电位从-0.9V（NH₄⁺）显著降至-2.5V（NPr₄⁺），同时维持>3V的高氧化电位（图1）。其中NMe₄TFSI/碳酸甲乙酯（EMC）电解质离子电导率高达8.64 mS/cm，归因于长烷基链提升溶解性与解离度。
2. BBL阳极：高效NR₄⁺存储机制
BBL@CNTs阳极通过羰基/烯醇转化实现两电子氧化还原反应（图2），可提供120 mAh/g稳定容量（0.3 A/g）和-1.1V的低平均电位，显著优于传统PTCDA/PTCDI材料的溶解问题。其倍率性能突出，10 A/g下仍保持87.1 mAh/g容量，同时原位表征（图3-4）揭示了独特的储能机制：还原过程中伴随NMe₄⁺与EMC共嵌入（TG-MS证实EMC/BBL单体比例0.6:1），逐步形成自由基阴离子（●⁻）和二自由基双阴离子（²●⁻），并伴随离子/电子电导率周期性变化——50%掺杂水平时电导率提升10倍（图3g），赋予电极快速反应动力学。
3. 石墨阴极：TFSI⁻高效插层
石墨阴极在NMe₄TFSI/EMC中实现80 mAh/g可逆容量（图5），平均电位1.62V（vs AC）。原位XRD证实TFSI⁻嵌入形成阶数可调的插层化合物（Stage-I/II），XPS排除阳离子共嵌入，保证反应可逆性。
4. 全电池性能：创纪录的3.8V系统
基于BBL阳极与石墨阴极组装的DIB（图6a）实现了3.8V创纪录工作电压，首圈即输出92.8 mAh/g放电容量（基于石墨质量），循环后稳定于79 mAh/g。该电池在3 A/g高倍率下容量保持率达92.3%，功率密度达6865 W/kg时仍维持166.5 Wh/kg能量密度。经历500次2 A/g循环后容量无衰减（图6g），库伦效率超99.6%，GCD曲线显示电极通过自适应调整进一步优化性能（图6h）。
展望：非金属电池的新范式
该研究首次证实季铵盐（NR₄⁺）作为高电压非金属载流子的可行性。BBL聚合物阳极通过独特的羰基转化与自由基反应机制，结合石墨阴离子插层阴极，成功突破非金属电池的电压与能量密度瓶颈。这一成果为开发可持续、高性能储能器件提供了全新方向。