能量存储始终伴随着权衡取舍。电容器充电只需数秒，几乎可以无限循环使用，但存储量很小；电池的存储量大得多，但充电缓慢且会逐渐损耗。浙江大学与新加坡国立大学的一个团队构建了一种兼具两种模式的电极材料：一种分子笼，在低电压下以电容方式存储能量，在高电压下通过氧化还原反应存储能量。在水系锌溴电池中，该设计在 0.83 A/g 的电流下实现了 481.8 mAh/g 的容量，并在十倍于此电流的条件下循环 1,500 次后仍保持 89.4% 的容量。相关成果发表在《自然·通讯》上。
锌溴电池依靠 Br2/Br- 氧化还原电对工作，理论容量为 335.5 mAh/g，相对锌的反应电位接近 1.82 V。其原料廉价、储量丰富且基于水溶液，因此锌溴电池长期被视为电网级储能的候选方案，尤其是液流电池形式。这种化学体系存在已知的缺陷：中间产物多溴化物（Br3- 及其同类物种）会在电解液中漂移，这一现象被称为穿梭效应，会腐蚀锌负极并使电池亏电。溴化物与溴之间的转化速度缓慢，而依靠电容存储来规避腐蚀问题的碳基电极始终无法达到高容量。该领域一直困于两种选择之间：一种化学体系存储性能出色却难以驾驭，另一种材料表现稳定却存储量有限。
打破这一僵局的设计是一种柱芳烃，即一类中央具有空腔的柱状大环分子。该团队以丁永兴（Yongxing Ding）和韩明明（Mingming Han）为共同第一作者，以浙江大学的程浩（Hao Cheng）、新加坡国立大学的李思远（Siyuan Li）和浙江大学的陆盈盈（Yingying Lu）为通讯作者，使用了 1,4-双（乙氧基）柱[6]芳烃（简称 BEP6A），将空腔视为微型反应器而非被动支架。在低电压下，空腔的静电环境充当离子封存基质，以电容方式存储电荷；在高电压下，空间限域的非共价相互作用将多溴化物中间体锚定在原位，并促进其转化为溴，发挥着氧化还原催化剂的作用。同一个分子会根据所施加的电压切换工作模式。X 射线光电子能谱显示，随着电压变化，空腔内的溴物种持续演化；密度泛函理论则绘制了空腔的静电环境图谱，证实了这种双模式图景。
测量结果支持这一机制。溴在空腔内的累积量达到 6.73 原子百分比，远高于同等无空腔材料所能捕获的量；平衡吸附容量达到每克主体材料吸附 7.1 克多溴化物。计算给出被限域 Br3- 的结合能为 -58.4 kcal/mol，对非共价相互作用而言异常之强，从而将穿梭的中间体固定在原位。由于电容模式在低电压下贡献容量，氧化还原模式在高电压下贡献容量，两者叠加后的 481.8 mAh/g 容量超过了溴氧化还原电对单独的 335.5 mAh/g 理论上限，表明这两种存储机制是相加关系而非竞争关系。
这一方法并不局限于上述这一种化学体系。快速电容存储与高容量氧化还原反应之间的取舍一直被视为电极材料的固有属性，作者认为，这其实是一个设计问题。通过在受限空腔内于分子尺度上调控离子，单一材料即可同时参与两种模式，而无需牺牲其中任何一种。他们将这一概念定性为具有普适性，适用于多价离子体系或转化反应体系，这些体系中离子传输与反应动力学往往是最主要的限制因素；他们还将静态溴电池和液流电池溴络合剂列为近期目标。
这些结果是电极层面的验证，而非完整的商用电池。容量按电极材料的质量归一化，实际电池还必须解决隔膜、电解液和锌负极的工程问题。8.3 A/g 下的循环测试相当严苛，但 1,500 次循环仍远低于电网储能所期望的数万次循环。该论文为早期访问版本，在最终编辑校对之前以未经编辑的形式发表。
这项研究将功率与容量之间的取舍呈现为一种设计约束，而非自然规律：一个位于形状合适的空腔内的离子，可以同时以电容方式和氧化还原反应存储能量，电网当下需要哪种模式，它就以哪种模式工作。
婷 翻译
Sources: Ding, Y., Han, M. et al. Cavity-enabled supramolecular regulation of capacitive-redox bromine electrochemistry in zinc-bromine batteries. Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-76539-8.