近日，天津大學材料學院許運華教授與華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室黃飛教授等團隊合作，在新型n型導電聚合物材料聚（苯并二呋喃二酮）（PBFDO）基礎上，系統調控了材料中電子與鋰離子的“協同傳輸”效率，成功開發出首款兼具優異電子導電性、鋰離子快速傳輸能力和高儲能容量的有機正極材料。2026年2月18日，該工作以“Practical Lithium-Organic Batteries Enabled by an n-Type Conducting Polymer”為題發表在Nature期刊上。文章由天津大學博士研究生李振飛與華南理工大學副教授唐浩然作為共同第一作者。
在全球科技革命與能源結構轉型的雙重驅動下，鋰電池作為現代能源體系的“能量心臟”，其戰略價值持續凸顯。面向“雙碳”目標，儲能行業向綠色、低碳方向轉型的緊迫性日益提升，如何在保障高安全性與高比能特性的前提下，開發環境友好、可持續發展的新型電池技術，已成為全球學術界與產業界共同面臨的核心課題。
目前，主流鋰電池正極材料大多使用鈷、鎳等無機礦物，這類材料面臨資源、成本、安全及柔性不足等多重挑戰。相比之下，有機電極材料取材廣泛，其分子可靈活設計且自身柔韌，被視為極具潛力的“綠色電池新星”，有望重構電池產業格局。然而，這類材料一直難以兼顧高容量與大負載，導致“電量”不足或充電緩慢，嚴重阻礙其實用化進程。
近日，天津大學材料學院許運華教授與華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室黃飛教授等團隊合作，在新型n型導電聚合物材料聚（苯并二呋喃二酮）（PBFDO）基礎上，系統調控了材料中電子與鋰離子的“協同傳輸”效率，成功開發出首款兼具優異電子導電性、鋰離子快速傳輸能力和高儲能容量的有機正極材料（圖1b）。這一突破性進展有效解決了傳統有機電極材料中電子與離子傳導滯后、面載量低的關鍵瓶頸。PBFDO電極的電導率超過2000?S?cm?1，鋰離子擴散系數高達10?8 cm2?s?1，可實現了高達206?mg?cm?2的電極質量負載和超過42?mAh?cm?2的面容量（圖1c）。基于該正極材料所組裝的軟包電池表現出優異的電化學性能，能量密度達到255?Wh?kg?1，直接對標當前商業化磷酸鐵鋰基鋰離子電池，標志著有機電池在實用化軟包電池層面首次展現出真正的應用潛力。此外，該電池在-70?℃至80?℃的極端溫區內均能穩定工作，并通過穿刺安全測試，表現出優異的熱穩定性與安全性。PBFDO電極還具備良好的柔韌性，組裝成的軟包電池在多次彎折后仍保持正常工作，為可穿戴電子設備等柔性應用提供了可能。
圖1：高性能有機電極材料的設計策略。
圖2：PBFDO的有序結構與電子離子協同傳輸表征。
圖2a展示了PBFDO的微觀結構特征：該材料具有帶負電荷、無側鏈的平面共軛骨架，有利于形成緊密的鏈間堆積結構。高分辨率透射電子顯微鏡及低溫透射電子顯微鏡觀察結果顯示，材料中存在清晰的晶格條紋，間距分別為0.33 nm和1.03 nm（圖2a與2c），分別對應（010）晶面上的π-π堆疊距離以及（100）晶面上的層狀堆積間距。規則排列的層狀結構為鋰離子傳輸提供了快速傳輸通道。研究發現較高的電子摻雜率是維持電子離子快速傳輸的關鍵（圖2e和2f）。同時電池在不同工作電壓下，PBFDO的電子摻雜率始終處于較高水平，電子-離子傳輸速率也始終處于理想狀態（圖2g和2h）。這一特性保證了電池在高負載電極條件下仍能保持較高的電化學活性。上述規律也進一步得到了理論計算模擬的驗證（圖2i）。
圖3：PBFDO電極的形貌表征和電化學性能。
PBFDO電極即使在高負載條件下也未出現開裂或脫落現象（圖3a-b），同時展現出穩定的充放電循環性能（圖3c）。得益于PBFDO卓越的電子-離子傳導性能，電池的容量幾乎不受電極負載量的影響（3d-e）。即使在高達206?mg?cm?2的質量負載條件下，其比容量仍保持在200?mAh?g?1左右，且循環穩定性良好（圖3f）。更令人矚目的是，在20?mg?cm?2的高負載量下，該電池仍能在-70?℃至80?℃的超寬溫度范圍內穩定工作（圖3g）。
圖4：PBFDO軟包電池及電化學性能。
如圖4所示，團隊成功制備出首個安時級別的實用化有機軟包電池（圖4a-c）。該電池不僅能夠在常溫下穩定完成充放電循環，還表現出在極端環境下正常工作的潛力（圖4d）。
綜上所述，團隊基于n型導電聚合物PBFDO開發出全球首個實用型有機電池，其高n型摻雜的聚合物骨架賦予了卓越的協同離子-電子傳輸特性。該材料實現了超高面積負載量和面容量，所制備的軟包電池能量密度可與商用鋰離子電池媲美，標志著有機電池首次展現實用化潛力。該電池在寬溫度范圍內穩定工作，并通過安全性與彎折測試，展現出卓越的穩定性、安全性及柔性特征，在可穿戴設備領域具有應用潛力。該研究為有機電池的實際應用奠定了堅實的理論與技術基礎。
該研究得到教育部基礎學科和交叉學科突破計劃、國家自然科學基金、中國博士后基金、中央高校基本科研業務費項目以及騰訊新基石科學基金科學探索獎的支持。
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https://doi.org/10.1038/s41586-026-10174-7
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