可充铝电池具有资源丰富、安全性高和适合大规模储能等优势，但有机正极往往难以同时兼顾高工作电压、低溶解性和快速反应动力学。香港大学戴宏杰院士、何健教授团队提出一种“边运行、边聚合”的正极构筑方式：全新分子 MILES-1 在电池初期循环中直接于导电碳表面转化为短链电致寡聚物。该结构既保留小分子清晰的氧化还原能级，又利用寡聚网络限制活性物质溶出。配合低成本、不可燃的三元离子液体电解液，研究实现了高电压、长循环寿命的铝有机电池，并且首次报道了Ah 级高载量铝有机软包电池。香港大学博士后周希琛为本文第一作者。
研究背景
铝负极可进行三电子氧化还原，其理论质量比容量为 2981 mAh g-1，理论体积比容量达到 8056 mAh cm-3。传统铝/石墨体系虽然循环寿命较长，但仍面临离子液体价格高、石墨容量偏低以及高载量性能下降等问题。有机电极的组成元素丰富、分子结构容易调节，理论上更有利于提高容量；实际应用中，小分子容易进入电解液并穿梭至负极，而预先合成的长链聚合物又常出现团聚、导电性不足、活化缓慢和电压曲线倾斜。如何在“分子态的明确能级”和“聚合态的不溶性”之间取得平衡，是本工作的出发点。
分子设计与原位寡聚策略
MILES-1 由苯撑双(吩噻嗪)中心和四个末端咔唑单元构成。硫桥能够限制芳环自由旋转并延伸共轭，末端咔唑则提供电化学偶联位置。分子中 N、S 杂原子与芳环的数量比为 4∶5；6 个 N 位点与 2 个 S 位点均可参与电荷补偿，对应 189 mAh g-1 的理论容量。循环时，咔唑端基发生 C—C 偶联，活性分子不再以游离单体存在，而是在 Super-P 导电碳表面形成连续、无定形且贴合紧密的寡聚包覆层。
电解液采用 AlCl₃、三乙胺盐酸盐（TEAC）和 1-乙基-3-甲基咪唑氯盐（EMIC）组成的三元体系，摩尔比为 1.5∶0.9∶0.1。加入少量 EMIC 后，离子电导率由 8.90 提高至 9.31 mS cm-1，黏度由 30.4 降至 28.7 mPa·s；同时该体系在火焰测试中表现为不可燃，在成本、传输性能与安全性之间形成较好的折中。
图 1 MILES-1 的结构设计、循环中原位生成电致寡聚物的过程及Al/MILES-1电池的优点。
原位寡聚过程的实验证据
MILES-1 的首圈循环伏安曲线包含多个氧化还原峰；随着扫描继续，峰位逐步移动，并在约 40 圈后趋于稳定，说明电极内部的电子结构经历了持续重构。红外光谱中出现新的 804 cm-1/ C—C 振动信号，拉曼特征峰同步改变，证明单体之间形成了新的碳—碳连接。X 射线衍射显示，原本容易结晶的 MILES-1 在电化学处理后转为无定形结构，有利于电解液进入电极并减少紧密堆积对活性位点的遮挡。
质谱检测到最多三个重复单元，但高分子量组分的离子化效率较低，因此研究进一步采用凝胶渗透色谱确定分子量。循环后样品的数均分子量约为 7930，相当于约七个 MILES-1 单元；化学氧化法制得的对照样品数均分子量为 18425，约对应 16 聚体。电子显微镜观察到，原位产物以纳米褶皱网络均匀覆盖导电碳，而不是形成孤立的大颗粒。较短的七聚体仍保持相对离散的电子态，因此比 16 聚体对照呈现更清晰的电压平台；后者容量仅为 101.6 mAh g-1、库仑效率为 97.1%。
图 2 循环伏安、振动光谱、质谱、凝胶渗透色谱和电子显微表征共同确认 MILES-1 的原位寡聚与碳表面包覆。
电池性能：高电压、快倍率与长循环并存
扣式电池以铝箔为负极、MILES-1/导电碳复合物为正极。充电时，正极分子被逐级氧化，AlCl₄⁻ 阴离子进入并补偿正电荷；放电时 AlCl₄⁻ 从正极释放，同时负极发生与铝沉积/剥离相关的氯铝酸根转化。因此，该体系本质上属于以阴离子参与正极反应的 p 型有机储能，而不是 Al³⁺ 在有机骨架中的简单嵌入。
在正极载量 2.7 mg cm-2、电流密度 200 mA g-1条件下，Al/MILES-1 电池的可逆比容量为 137 mAh g-1，库仑效率为 99.3%。放电曲线包含约 1.8 V（2.04～1.60 V）和约 0.9 V（1.10～0.74 V）两个平台，其中高电压平台明显高于 TCTA 对照；该电池在 200 mA g-1下的能量效率为 90.1%，表明充放电极化较小。降低活性物质载量至 0.6 mg cm-2 时可接近理论容量，支持 6 个 N 和 2 个 S 位点均参与反应的判断。
循环与倍率数据进一步体现了原位寡聚结构的稳定性：在 1000 mA g-1（约 8.5 C）下运行 10000 圈，容量保持率接近 100%，库仑效率约为 100%。在 −20 ℃、25 mA g⁻1下，平均容量、库仑效率和能量效率分别为 115.4 mAh g-1、99.6% 和 85.8%；在 60 ℃、1000 mA g-1下，相应数值为 139.5 mAh g-1，99.0% 和 86.7%。
图 3 Al/MILES-1 扣式电池的工作方式，以及容量、循环、倍率、自放电和宽温性能。
不可溶实验与电化学动力学
为直接判断活性物质是否会进入电解液，研究者将 MILES-1 单体、化学法寡聚物以及处于 18%、40%、100% 和 0% 荷电状态的电致寡聚物电极，分别置于三元离子液体中浸泡 48 h，测试浓度为 1 mg mL-1。单体和化学法寡聚物的上清液出现明显颜色及紫外-可见吸收，而原位电致寡聚物在不同荷电状态下的上清液均只有可忽略的吸收信号。由此可见，循环中形成的贴合式寡聚网络能够在充电状态下继续固定活性组分，容量稳定并非只来自分子量增加。
不同扫描速率下的循环伏安分析给出 0.89～0.94 的 b 值，接近表面控制过程的理论值 1；在 0.1～2 mV s-1范围内，表面反应对总电流的贡献由 80% 提高至 95%。用电化学比电容衡量可接近界面的变化：循环后电极由 0.032 F g-1增至 3.413 F g-1，约提高 107 倍。这说明原位寡聚不仅抑制溶解，还构筑了更大的有效电化学界面，暴露出更多可参与阴离子吸附/解吸的位点。
图 4 浸泡与紫外-可见光谱证明电致寡聚物难溶；扫描速率分析和比电容变化反映表面主导的快速动力学。
MILES-1 铝电池的储能机理
作者使用XPS 对初始电极、充至 1.3 V、充至 2.1 V 以及放电后的 N 1s 和 S 2p 信号进行了比较。由初始状态充至 1.3 V 时，N 的氧化组分约占 33.5%，而 S 的氧化比例仅约 14.2%；电位升至 2.1 V 后，N、S 的氧化组分分别增至约 42.3% 和 47.2%。放电后两类信号向中性状态恢复，说明 N 与 S 都是可逆氧化还原中心，同时也表明低电位阶段主要由 N 位点承担电荷，高电位阶段 S 位点的参与明显增强。
DFT计算得到的电荷分布给出一个八电子、三阶段的氧化路径：首先移去 2 个电子，正电荷主要集中在吩噻嗪单元的 N 附近；随后再移去 4 个电子，咔唑 N 成为主要反应位置；最后移去 2 个电子，正电荷集中到吩噻嗪 S 周围。相应的计算电位为 0.69、1.31 和 2.23 V（相对于 Ag/Ag+），与实验循环伏安中的多级反应趋势一致。每一级氧化都伴随 AlCl4–与带正电位点结合，放电时过程反向进行。因此，MILES-1 的储能可概括为 N、S 位点依次氧化并由氯铝酸根阴离子补偿电荷，其中 N 先于 S 参与反应。
图 5 DFT 模拟的三级氧化与 AlCl4–电荷补偿过程，说明 N 位点先响应、S 位点在高电位继续贡献容量。
高载量软包电池：从材料性能走向器件验证
在两层软包电池中，MILES-1 载量达到 15.6 mg cm⁻²，电极面积为 16 cm²；以 50 mA g-1充放电时，比容量为 130.8 mAh g-1、面容量为 2.0 mAh cm-2、库仑效率为 99.8%，按有机活性物质质量计算的能量密度约为 159.6 Wh kg-1。进一步放大到五层、单层面积 8 cm × 8 cm、总活性物质 8.25 g 的器件后，面载量提高至 25.8 mg cm-2，软包电池可输出 0.8 Ah 可逆容量和 2.5 mAh cm-2面容量。作为对照，19.9 mg cm-2载量的铝/石墨软包电池仅得到 33.1 mAh g-1和 0.66 mAh cm-2，显示电致寡聚正极在高载量条件下具有更明显的容量优势。
图 6 高载量、多层堆叠 Al/MILES-1 软包电池的结构、充放电曲线与长期循环表现。
结论与展望
这项工作的关键并不是单纯提高分子量，而是控制寡聚发生的时间和位置：MILES-1 先以易加工的小分子形式进入电极，随后在循环中于导电碳界面生成约七聚体的无定形活性层。这样的短链结构避免了单体溶解，也没有完全转变为长链共轭聚合物的连续电子态，从而把高电压平台、表面主导的快速反应和长循环寿命结合到同一正极中。扣式电池与高载量软包电池的连续验证，使“电致寡聚物”成为铝有机电池材料设计中一个具有推广价值的中间尺度。
现阶段该体系距离工程应用仍有若干问题需要解决，包括降低电解液与活性物质之比、避免集流体在氯铝酸盐电解液中腐蚀、扩大电解液稳定电位窗口、提高有机材料本征导电性并减少导电炭比例，以及在更大面积、更高面载量和更长循环条件下验证堆叠软包电池。因而，论文的主要价值在于给出了兼顾分子能级与固态稳定性的新路径，而不是宣告铝有机电池已经达到商业化条件。
论文信息
Rechargeable Aluminum-Organic Batteries with Electro-Oligomers
Xichen Zhou, Songwei Wen, Xiantao Hu, Wai-Pan Ng, Peng Liang, Shixin Wang, Fei Liu, Jiajie Zheng, Jingwen Zhou, Yan Wu, Yilin Sun, Tianyu Liu, Luyao Yang, Mingyue Wang, Zhikang Deng, Shuting Fu, Huaqing Zhang, Dechen Dong, Zuochao Wang, Yuanzhuo Li, Zigang Lu, Haoran Liu, Junzhi Liu, Jian He*, Hongjie Dai*
Journal of the American Chemical Society (2026). DOI: 10.1021/jacs.6c09549
香港大学博士后周希琛、文松威、胡显韬和吴炜彬为本文共同第一作者
戴宏杰院士简介
戴宏杰院士，1966 年出生于湖南邵阳，现任香港大学化学系讲座教授，并在机械工程系和医学院任职；同时为斯坦福大学 J. G. Jackson 与 C. J. Wood 化学讲席教授（荣休）。他是中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士、美国国家医学院院士和美国艺术与科学院院士。戴宏杰于 1989 年获得清华大学物理学学士学位，1991 年获得哥伦比亚大学应用科学硕士学位，1994 年取得哈佛大学应用物理/物理化学博士学位，之后在莱斯大学随诺贝尔奖得主 Richard Smalley 从事博士后研究。1997 年加入斯坦福大学，并于 2007 年获聘化学讲席教授。
其研究横跨纳米材料、能源化学和生物医学，包括碳纳米管可控生长与输运、石墨烯纳米带、纳米传感器和场效应器件、近红外二区生物成像，以及可充铝电池、金属/氯气电池和多类电催化材料。团队于 2015 年在《Nature》报道快速充放电铝离子电池，此后持续推进铝基储能体系的材料与器件研究。
