新南威尔士大学化学系的一组科学家成功地开发了一种能够储存质子的有机材料，并在实验室里用它制造了一种可充电的质子电池。
通过利用氢离子（质子）而不是传统的锂，这些电池有望解决现代能源存储中的一些关键挑战，包括资源稀缺、环境影响、安全性和成本。 最近发表在 Angewandte Chemie International Edition 杂志上的最新研究成果强调了这种电池快速存储能量、持续时间更长以及在零度以下条件下性能良好的能力。
由博士生吴思成和赵川教授与新南威尔士大学工程系和ANSTO合作开发的材料--四氨基苯醌（TABQ），已被证明可以利用氢键网络支持质子的快速移动。"我们开发出了一种新型、高容量的质子存储小分子材料，"赵教授说。 "利用这种材料，我们成功地构建了一种全有机质子电池，它在室温和零度以下的冰冻温度下均有效。"
电池基础知识
电池存储化学能，并通过两个电极--阳极和阴极--之间的反应将其转换为电能。 携带电荷的粒子（称为离子）通过电池的中间成分（称为电解液）进行转移。 家用产品中最常用的电池类型是锂离子电池。 这些电池通过在阳极和阴极之间传输锂离子来产生电荷，是最普遍的便携式能源存储解决方案。 锂离子电池为手机、笔记本电脑和智能可穿戴设备等日常产品以及电动汽车、电动自行车和电动摩托车等新型电动交通产品提供动力。 锂离子电池已经成为储能应用中的主流产品，但它有很多局限性，"化学学院博士生吴思成先生说，"锂是一种有限资源，在地球上的分布并不均匀，因此一些国家可能无法获得低成本的锂资源。 锂电池在快速充电应用、安全性方面也存在非常大的挑战，而且在低温环境下效率较低。"
锂离子电池的替代品
虽然我们目前非常依赖锂离子电池，但越来越多的替代品正在出现。 质子电池作为能源领域的一种创新和可持续替代品，正日益受到关注，并被誉为下一代能源存储设备的潜在解决方案之一。 质子在所有元素中具有最小的离子半径和质量，这使得它们能够快速扩散。 使用质子可以制造出能量密度和功率密度都很高的电池，而且质子的价格相对低廉，不产生碳排放，充电速度快。"质子电池有很多好处，"吴先生说。 "但目前用于质子电池的电极材料，有些是用有机材料制成的，有些是用金属制成的，都很重，而且成本仍然很高。" 虽然已经存在一些有机电极材料，但它们也存在电压范围有限的问题，要使它们成为可行的电池，还需要进一步的研究。
对原型进行测试
当研究人员对质子电池进行测试时，结果非常喜人。 结合 TCBQ 阴极，全有机电池具有循环寿命长（完全充电，然后完全放电，循环 3500 次）、容量大、在寒冷条件下性能良好等特点，使其成为可再生能源存储的一个很有前景的步骤。 "锂离子电池的电解质是由锂盐制成的，而锂盐是一种易燃溶剂，因此是一个很大的问题，"赵教授说，"在我们的案例中，我们的两个电极都是由有机分子制成的，中间还有水溶液，这使得我们的原型电池重量轻、安全、价格低廉。 "在我们的案例中，我们的两个电极都是由有机分子制成的，中间是水溶液，这使得我们的原型电池重量轻、安全且经济实惠。"
未来的影响
"目前，我们还没有适合电网规模储能的解决方案，因为由于价格和缺乏安全性，我们无法使用成吨的锂电池来完成这项工作，"吴先生说。
吴先生说："为了提高可再生能源的利用率，我们必须开发一些更高效的能源集成技术，而我们的质子电池设计是一个很有前景的尝试。 虽然潜在的应用领域非常广泛，但研究人员决心不断改进和完善他们的质子电池。
原文链接: Sicheng Wu et al, A High‐capacity Benzoquinone Derivative Anode for All‐organic Long‐cycle Aqueous Proton Batteries, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI: 10.1002/anie.202412455
