传统水系电池的强酸或强碱电解质易引发副反应和环境污染。一项新研究突破性地设计出pH=7.0的中性水系电池，通过一种新型共价有机聚合物负极，实现了超12万次的稳定循环，且废弃后电解液可直接排放，为高性能与环境友好的储能技术提供了新范式。
智能速览
新型负极材料Hex-TADD-COP拥有最低的还原电位，适合中性电解质。
定量揭示质子干扰是性能衰减主因，中性环境将其贡献抑制至0.51%。
电池在20 A g⁻¹电流下循环12万次，容量保持率仍达72.67%。
组装的全电池电压达2.2 V，比能量为48.3 Wh kg⁻¹。
循环后电解液成分符合中国、美国及国际等多国直接排放标准。
精华内容
实现水系电池的超长循环与极致环保，关键在于解决电解质的环境影响与电极的稳定性问题。这项研究通过巧妙的分子设计，为这一挑战提供了切实可行的方案。
新型负极设计
研究团队设计合成了三种共价有机聚合物（COP）作为负极候选材料。通过密度泛函理论（DFT）计算发现，含给电子连接键的Hex-TADD-COP具有最高的最低未占分子轨道（LUMO）能级（-3.40 eV），预示其还原电位最低。
实验证实，在饱和MgCl₂电解质中，Hex-TADD-COP的还原电位低至-0.67 V（vs. Ag/Cl）。分子静电势（ESP）分析显示，其对Mg²⁺/Ca²⁺具有最强的亲和力，ESP值低至-64.8 kcal/mol，使其成为理想的中性水系电池负极材料。
质子干扰机制
为探究超长循环的根源，研究系统考察了质子参与的影响。在原始饱和MgCl₂电解液（pH≈5.5）中，质子对容量的贡献率为6.73%；当电解液调至pH=7.0时，该比率骤降至0.51%。
相反，在pH=2.5的酸性环境中，质子贡献率高达41.58%，并引发剧烈析氢和电极结构破坏。这一发现定量阐明了质子参与是性能衰减的关键因素，而中性环境是实现超长循环的必要条件。
超长循环验证
基于上述机制，Hex-TADD-COP负极在pH=7.0的饱和MgCl₂电解质中展现出卓越的稳定性。在20 A g⁻¹的高电流密度下循环120000次后，其容量保持率高达72.67%，创下二价金属离子水系电池（ABIB）负极循环寿命的新纪录。
深入研究揭示，其电荷存储源于吡嗪单元中C=N基团对Mg²⁺的可逆化学吸附，每个重复单元可稳定结合3个Mg²⁺，理论容量与实验值高度吻合。
全电池与环保性
将Hex-TADD-COP负极与普鲁士蓝类似物CuFe-PBA正极匹配，成功组装了全电池。该全电池电压窗口达到2.2 V，基于正负极及电解质总质量计算的比能量为48.3 Wh kg⁻¹。
在20 A g⁻¹下循环120,000次后，MgCl₂体系和CaCl₂体系的放电容量分别保持在93.9 mAh g⁻¹和100.5 mAh g⁻¹。更重要的是，循环后电解液成分简单，无重金属检出，pH值维持在4.91-7.02之间，符合多国废弃物直接处置标准，实现了从摇篮到摇篮的绿色设计。
该研究不仅创下了水系电池循环寿命的新纪录，更重要的是，它从材料设计到机制层面，验证了兼具高性能与环境可持续性的电池体系是可行的。这项工作为开发下一代绿色储能设备提供了坚实的材料基础和清晰的机理认知，未来这样的技术能否引领储能走向真正的绿色时代？
