隨著能源的升級(jí)換代，如何儲(chǔ)存可再生資源出現(xiàn)的電力，已成為能源行業(yè)面對(duì)的重要挑戰(zhàn)之一。自20世紀(jì)90年代起鋰離子電池的出現(xiàn)極大地改變了我們的生活方式，但它的整體性能仍然不能滿足可再生能源儲(chǔ)存應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兊难h(huán)壽命有限，安全性和成本相對(duì)較高。因此，下一代能量存儲(chǔ)設(shè)備要滿足比當(dāng)前最先進(jìn)的LIB更高的標(biāo)準(zhǔn)。

鋁是地殼中第三豐富的元素，多種氧化還原狀態(tài)使是其具有最高的理論體積容量（8,056mAhcm-3）元素之一。但因?yàn)殡y以設(shè)計(jì)能夠可逆地插入鋁（復(fù)合）離子的電極材料，因此可充電鋁電池（ALB）的發(fā)展緩慢，因此具有相當(dāng)大的發(fā)展前景。

菲醌（PQ）具有可逆的氧化還原性質(zhì)，它們與鋁形成金屬配合物的敏感性很高。因此只要PQ化合物在電池循環(huán)過程中不溶于電解質(zhì)，PQ衍生物就有很好的機(jī)會(huì)進(jìn)行氧化還原-可逆Al-絡(luò)合物離子的插入和萃取。Al-絡(luò)離子插入有利結(jié)構(gòu)維持，還原的PQ衍生物與鋁絡(luò)離子的結(jié)合強(qiáng)度適中，可再氧化成中性狀態(tài)。這些特性使得PQ存在用于ALB的可能性。

圖1用于可充電ALB的PQ衍生物系列。a)三種PQ化合物的結(jié)構(gòu)式--PQ單體（PQ-Ref），線性PQ三聚體（PQ-Lin）和PQ三角形（PQ-Δ）。b)PQ-Δ（藍(lán)色）的電化學(xué)氧化還原化學(xué)及其示意圖。

近日，美國西北大學(xué)J.FraserStoddart教授和韓國首爾大學(xué)化學(xué)JangWookChoi教授認(rèn)為有機(jī)化合物的分層堆疊的形成將比其他結(jié)構(gòu)更容易插入Al-復(fù)合離子，并設(shè)計(jì)了一種三角形大環(huán)結(jié)構(gòu)PQ三角形（PQ-Δ），并確認(rèn)陽離子氯鋁酸鹽能夠可逆插入和脫出。PQ-Δ顯示出94mAh/g-1的可逆比容量，其循環(huán)能力高達(dá)5,000個(gè)循環(huán)。將PQ-Δ與石墨薄片混合后性能得到極大的提升。

圖2PQ衍生物的電化學(xué)測(cè)試。所有電化學(xué)測(cè)量均在相關(guān)于Al/Al3+的0.8-1.75V的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行。在恒電流測(cè)量中，理論比容量和倍率（C）基于PQ：氯鋁酸鹽的1：1比率計(jì)算。a)每個(gè)PQ衍生物的CV。b)恒電壓曲線的比較。c)PQ衍生物在0.2A/g（=2C）的電流速率下的循環(huán)性能。d)PQ-Δ的倍率能力測(cè)試。e）PQ-Δ的長循環(huán)測(cè)試，電流速率為2A/g（=20C）。

電化學(xué)結(jié)果表明，陽離子氯鋁酸鹽通過PQ-Δ3？-遷移，從而實(shí)現(xiàn)可逆插入和脫出。與典型的Al-絡(luò)合物離子電池相比，在陰極反應(yīng)中使用陽離子載體離子在能量密度方面更加有利。PQ-Δ的可逆容量顯著新增，為94mAh/g，在200次循環(huán)后容量保持在82mAh/g。PQ-Δ的還具有出色的倍率能力。這歸因于沿著PQ-Δ的π-π堆疊超結(jié)構(gòu)的明確限定的離子通道。

圖3石墨片混合PQ三角混合物（PQ-Δ-HY）的制備及其電化學(xué)性能。a，b)SEM和TEM圖像表征微結(jié)構(gòu)。c)PQ-Δ-HY的恒電流電壓曲線和電化學(xué)氧化還原示意圖。d)PQ-Δ-HY在0.2Ag-1（=2C）的電流速率下的循環(huán)性能。e)PQ-Δ-HY的倍率能力測(cè)試。

PQ-Δ作為ALB活性材料的優(yōu)異循環(huán)性促使作者通過設(shè)計(jì)具有石墨片的混合電極來增強(qiáng)其在實(shí)際電極設(shè)置中的可行性。作者制造了石墨片混合的PQ三角形混合物（PQ-Δ-HY）電極，該混合組合物的亮點(diǎn)在于，石墨薄片不僅新增了作為導(dǎo)電劑的電子傳導(dǎo)性，而且還在較高電壓范圍內(nèi)與PQ-Δ一起用作活性材料。PQ-Δ-HY電極中的電子傳導(dǎo)性通過石墨的積累而增強(qiáng)，新增了PQ-Δ的比容量，總比容量達(dá)到130mAh/g。并再次證明了其優(yōu)異的容量保持率，因?yàn)樵?00次循環(huán)后保留了94％（114mAh/g）的容量。當(dāng)初始電流倍率（0.2A/g）新增2.5倍，5倍和10倍時(shí)，混合電極分別顯示初始比容量的94％，83％和81％。

圖4混合電極的機(jī)械穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。a，b)PQ-Δ和PQ-Δ-HY電極在其原始狀態(tài)下的SEM圖像和照片。c，d)PQ-Δ-HY電極的恒電流電壓曲線（c）和倍率性能測(cè)量（d）。e)相同電極的循環(huán)性能，電流速率為0.2Ag-1（=2C）。

在電極的制備過程中，堆積的PQ-Δ會(huì)顯著出現(xiàn)應(yīng)力，形成裂縫和剝離。而PQ-Δ-HY電極在相同的干燥過程中通過共同堆疊石墨薄片和PQ-Δ來保持其完整性。在面積負(fù)載為9mgcm-2的情況下，PQ-Δ-HY電極在0.1A/g下實(shí)現(xiàn)了110mAh/g的容量，100次循環(huán)后保留了96％（108mAh/g-1）的初始容量，當(dāng)電流倍率新增20倍（2A/g-1）時(shí)，仍然保持51mAh/g的總比容量。這是因?yàn)镻Q-Δ與石墨之間的π-π相互用途的促進(jìn)了有效的電子傳輸。

剛性三角形大環(huán)新增了其特定的分層結(jié)構(gòu)和最小化溶劑效應(yīng)。此外，用石墨片制造混合電極顯著改善了固有的低電子傳導(dǎo)性和常規(guī)有機(jī)電極的有限區(qū)域負(fù)載，使得陰離子和陽離子的雙極存儲(chǔ)能夠新增比容量，使得ALB在未來的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中有可能占據(jù)一席之地。而且作者認(rèn)為還有其他的具有氧化還原活性有機(jī)分子也可以作為活性物質(zhì)用于ALB。