Molecular‐Level Design of Organic and Emerging Porous Framework Cathodes for Aqueous Zinc‐Ion Batteries

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Materials scientists working on battery cathodes will find a systematic review of organic and porous framework design strategies and in-situ characterization techniques.

🏢実務担当者:R&D teams in battery or energy storage companies can use this as a reference for next-generation cathode material development.

🏛政策担当者:Energy storage policymakers can understand the potential of zinc-ion batteries for safe, low-cost grid storage, supporting renewable deployment.

抄録 水系亜鉛イオン電池（AZIB）は、持続可能でグリッド規模の電気化学エネルギー貯蔵に向けた、極めて実用的かつ不可欠な軌道としてますます認識されている。再生可能エネルギーへの世界的な移行は、非水系リチウムイオンシステムに内在する熱暴走の危険性、深刻なサプライチェーンの脆弱性、および法外なコストを回避する貯蔵システムを要求する。しかし、AZIBの商業展開は、従来の無機カソードの固有の物理化学的限界によって根本的にボトルネックに直面している。多価Zn 2+ イオンの繰り返しインターカレーション中、これらの高密度で剛直なフレームワークは、激しい静電拡散障壁、不可逆的な格子ひずみ、および熱力学的に駆動される遷移金属溶解を日常的に被る。無機結晶格子の頑固な剛性を克服するために、深遠なパラダイムシフトが現代の材料科学を、柔らかい有機小分子、拡張ポリマーネットワーク、および新興の高多孔性フレームワーク—具体的には二次元遷移金属炭化物/窒化物、金属有機フレームワーク、共有結合性有機フレームワーク—の原子レベルの分子設計へと向けている。これらの材料は、構造的調整可能性、固有の機械的柔軟性、および豊富なカスタマイズ可能なレドックス活性部位を有する。本包括的レビューは、これらの柔らかく多孔性のアーキテクチャに固有の電荷貯蔵メカニズムの、非常に詳細で物理化学に基づく分析を提供する。我々は、古典的な固体状態インターカレーションモデルから、動的配位/キレート化学、相乗的なプロトン/亜鉛共貯蔵、および表面支配的な擬似容量性速度論への移行を綿密に追跡する。さらに、活性材料の溶解を根絶し、固有の電子伝導性を増幅するために展開されてきた最先端の分子工学戦略—フロンティア分子軌道変調、骨格共役延長、動的共有結合架橋、網目構造設計、および空間的ナノ閉じ込めを包含する—を批判的に評価する。我々は特に、高度なin-situおよびオペランド特性評価技術からの洞察を活用して、2020年から2026年の間になされた重要な進歩に焦点を当てる。最後に、これらの材料に関連する橋渡し的なマクロ工学のハードルに対処し、特に体積エネルギー密度のトレードオフ、低タップ密度の影響、および高負荷厚電極の適合性を評価し、次世代の有機およびフレームワークベースのAZIBの工業化のためのデータ駆動型青写真を提案する。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

ABSTRACT Aqueous zinc‐ion batteries (AZIBs) are increasingly recognized as a highly pragmatic and imperative trajectory for sustainable, grid‐scale electrochemical energy storage. The global transition toward renewable energy mandates storage systems that circumvent the thermal runaway hazards, severe supply chain fragilities, and prohibitive costs inherent to non‐aqueous lithium‐ion systems. However, the commercial deployment of AZIBs is fundamentally bottlenecked by the intrinsic physical chemistry limitations of traditional inorganic cathodes. During the repeated intercalation of multivalent Zn 2+ ions, these dense, rigid frameworks routinely suffer from intense electrostatic diffusion barriers, irreversible lattice strain, and thermodynamically driven transition metal dissolution. To overcome the unyielding rigidity of inorganic crystal lattices, a profound paradigm shift has directed contemporary materials science toward the atomic‐level molecular design of soft organic small molecules, extended polymeric networks, and emerging highly porous frameworks—specifically two‐dimensional transition metal carbides/nitride, metal‐organic frameworks, and covalent organic frameworks. These materials possess structural tunability, intrinsic mechanical flexibility, and an abundance of customizable redox‐active sites. This comprehensive review provides a highly granular, physical chemistry‐driven analysis of the charge storage mechanisms inherent to these soft and porous architectures. We meticulously track the transition from classical solid‐state intercalation models to dynamic coordination/chelating chemistry, synergistic proton/zinc co‐storage, and surface‐dominated pseudocapacitive kinetics. Furthermore, we critically evaluate cutting‐edge molecular engineering strategies—encompassing frontier molecular orbital modulation, backbone conjugation extension, dynamic covalent cross‐linking, reticular structural design, and spatial nanoconfinement—that have been deployed to eradicate active material dissolution and amplify intrinsic electronic conductivity. We specifically focus on the critical advancements made between 2020 and 2026, leveraging insights from advanced in‐situ and operando characterization techniques. Finally, we address the translational macro‐engineering hurdles associated with these materials, particularly evaluating the volumetric energy density trade‐off, low tap density implications, and high‐loading thick electrode compatibility, proposing a data‐driven blueprint for the industrialization of next‐generation organic and framework‐based AZIBs.

• openalex https://doi.org/10.1002/appl.70144first seen 2026-07-24 05:58:19