质子电池：未来能源存储的创新选择

来自 实验室仪器网

大学化学系的一组科学家成功开发出一种能够储存质子的有机材料，并利用它在实验室中制造出可充电质子电池。通过利用氢离子（质子）代替传统的锂，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。最新研究结果最近发表在《应用化学》杂志上，强调了电池快速储存能量、使用寿命更长以及在零度以下条件下表现良好的能力。

这种材料名为四氨基苯醌(TABQ)，由博士生吴思成和赵川教授与新南威尔士大学工程学院和澳大利亚国家科学技术组织合作开发，已被证明可以利用氢键网络支持质子的快速移动。

赵教授表示：“我们开发了一种用于质子存储的新型高容量小分子材料。利用这种材料，我们成功制造出了一种全有机质子电池，在室温和零下冰点温度下均有效。”

电池储存化学能，并通过两个电极（阳极和阴极）之间的反应将其转化为电能。带电粒子（称为离子）通过电池的中间组件（称为电解质）传输。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转移锂离子来产生电荷，是最普遍的便携式储能解决方案。

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、电动自行车和电动滑板车等较新的电动交通产品提供动力。然而，锂离子电池很难回收，生产时需要大量的水和能源。“锂离子电池已经成为储能应用的主导产品，但它们有很多局限性。

锂是一种有限资源，在地球上分布不均，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、安全性方面也面临巨大挑战，而且在低温下效率较低。虽然目前非常依赖锂离子电池，但越来越多的替代品正在涌现。

质子电池作为能源领域的创新和可持续替代品日益受到关注，并被誉为下一代储能设备的潜在解决方案之一。质子的离子半径和质量是所有元素中最小的，这使得它们能够快速扩散。使用质子可以制造出能量和功率密度高的电池，而且质子价格相对便宜，零碳排放，充电速度快。

质子电池有很多好处，但目前质子电池使用的电极材料，有些由有机材料制成，有些由金属制成，很重，而且成本很高。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，需要进一步研究才能使其成为可行的电池。

氧化还原电位是电化学中的一个基本参数。它与电流有关，这对于电池设计非常重要。电池中氧化还原电位的范围很重要，因为它会影响电池的性能。通常，阴极材料的氧化还原电位需要位于高范围内，而阳极材料的氧化还原电位需要位于低范围内，以确保理想的电池电压输出。

为了制造电极材料，研究团队从一种名为四氯苯醌(TCBQ)的小分子开始，这种分子包含四个氯基团。尽管TCBQ以前曾用于设计电极材料，但这种化合物的氧化还原电位范围一般——既不够低以用作阳极，也不够高以用作阴极。

因此，首先，该团队着手修改TCBQ，以提高其作为阳极材料的性能。经过多轮修改后，研究人员决定用四个氨基取代四个氯基团，使其成为四氨基苯醌(TABQ)分子。通过添加氨基，研究人员显著提高了该材料储存质子的能力，并降低了其氧化还原电位范围。

当研究人员测试质子电池时，结果非常令人鼓舞。全有机电池与TCBQ阴极相结合，具有较长的循环寿命（3500次完全充电循环，然后完全放电）、高容量和在寒冷条件下的良好性能，使其成为可再生能源存储的一个有希望的一步。

锂离子电池中的电解质由锂盐制成，锂盐是一种易燃溶剂，因此是一个大问题，在产品中，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、安全且价格实惠。科研人员表示，目前还没有适合电网规模储能的解决方案，因为我们无法使用大量锂电池来完成这项工作，因为价格和缺乏安全性。

鉴于此次合作设计的质子电池具有低成本、高安全性和快速充电性能等特点，它有可能用于包括电网规模储能在内的多种场合。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，质子电池设计是一个有希望的尝试。尽管潜在的应用非常广泛，但研究人员仍决心改进和完善他们的质子电池。

我们已经设计出了一种非常好的阳极材料，未来的工作将转向阴极方面。我们将继续设计具有更高氧化还原电位范围的新型有机材料，以提高电池的输出电压。

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