摘要：随着全球对可再生能源需求的不断增长，电池储能技术成为了解决能源存储问题的关键。锂离子电池作为当前主流的储能技术，虽然在能量密度和应用方面表现出色，但其高昂的成本、资源稀缺性、安全隐患以及对环境的潜在污染问题，促使科研人员不断寻找替代方案。质子电池作为一种新兴的

研究背景

随着全球对可再生能源需求的不断增长，电池储能技术成为了解决能源存储问题的关键。锂离子电池作为当前主流的储能技术，虽然在能量密度和应用方面表现出色，但其高昂的成本、资源稀缺性、安全隐患以及对环境的潜在污染问题，促使科研人员不断寻找替代方案。质子电池作为一种新兴的水系电池技术，凭借其独特的优势，如质子的轻质、高离子电导率(得益于Grotthuss传导效应)以及低成本，展现出巨大的应用潜力。然而，强酸性电解液对电极材料的腐蚀性，严重影响了质子电池的稳定性和寿命。因此，开发一种能够在酸性电解液中稳定工作的电极材料，成为了质子电池技术发展的关键。

研究内容

近日，武汉理工大学徐林教授课题组提出并证明了一种基于对称极化结构的电极设计策略，成功解决了质子电池电极材料在酸性电解液中的溶解问题。该策略通过引入对称极化结构，有效抑制了电极材料与电解液之间的氢键形成，从而显著提高了电极的稳定性。该研究不仅展示了对称极化结构在抑制电极溶解方面的卓越效果，还通过实验验证了其在超长循环寿命和高电流密度下的优异电化学性能。具体而言，经过对称极化结构改性的电极材料在H₂SO₄电解液中浸泡500天后仍无溶解现象，并且在10 A g⁻¹的电流密度下实现了40,000次超长循环，容量保持率高达77%。并且对该材料组装了质子全电池，电池表现出良好的容量和循环稳定性，并且可以再-20度低温条件下稳定运行。这一成果为质子电池的实际应用奠定了坚实的基础。

图文导读

图1. 对称极化结构对电极材料稳定性的影响及机理示意图

▲通过计算和实际验证发现，对称极化结构的引入，电极材料表面的氢键形成被有效抑制，从而显著提高了其在酸性电解液中的稳定性。图1a展示了对称极化结构的分子设计，通过引入卤素极化单元(如Cl和Br)，电极材料表面的氢键形成被有效阻断。X射线光电子能谱(XPS)分析进一步证实了对称极化结构的存在(图1c-f)。此外，傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析表明，对称极化结构能够有效调节电极材料表面羰基(C=O)与水分子之间的氢键形成(图1g-j)。这一发现为质子电池电极材料的设计提供了新的思路。

图2. 对称极化结构电极材料的电化学性能剖析

▲深入研究对称极化结构苯醌的电化学性发现，该电极材料展现出了卓越的电化学性能。图2a-c展示了电极材料在1 M H₂SO₄电解液中的循环稳定性测试结果，经过对称极化结构改性的电极材料在40,000次循环后仍保持了77%的容量。此外，循环伏安(CV)测试结果显示，对称极化结构电极材料的极化电势差显著减小(图2d)，表明其具有优异的电化学可逆性。原位电化学阻抗谱(EIS)分析进一步证实了对称极化结构电极材料具有更低的界面电阻(图2e-f)。这些结果表明，对称极化结构不仅能够有效抑制电极材料的溶解，还能够显著提升其电化学性能。相对于目前已报道的众多质子电池材料，对称极化的醌类材料展现出极为突出的优势。

图3. 对称极化结构电极材料的电化学反应机理剖析

▲通过对该材料的电化学反应机理进行深入研究，研究发现对称极化结构能够有效调节电极材料表面的静电势，从而抑制氢键的形成。图3a-b展示了对称极化结构电极材料在充放电过程中的电化学行为，通过原位X射线衍射(XRD)测试，可以观察到电极材料在充放电过程中的结构变化(图3c-d)。此外，通过对电极材料表面静电势的分析，研究发现对称极化结构能够显著降低电极材料表面的静电势，从而抑制氢键的形成(图3e-f)。并且通过X射线衍射中的对分布函数(Pair Distribution Function，PDF)研究，发现分子键的明显拉伸变化。这一发现为质子电池电极材料的设计提供了新的理论依据。

图4. 对称极化结构电极材料在全电池中的电化学性能剖析

▲为了推进质子电池的实际应用，在本研究中，对称极化结构电极材料在全电池中展现出了卓越的软包电池性能和耐低温性能。图4a展示了全电池的结构设计，通过将对称极化结构电极材料与普鲁士蓝衍生物(PBA)正极材料结合，成功构建了一种能够在稀酸电解液中稳定工作的质子全电池。图4b-c展示了全电池的循环稳定性测试结果，经过对称极化结构改性的电极材料在800次循环后仍保持了99%的容量。在-20度条件下循环10000次，容量保持率75%，此外，全电池在低温和高电流密度下也展现出了优异的电化学性能(图4d-e)。这些结果表明，对称极化结构电极材料在全电池中具有广泛的应用前景。

研究结论

综上所述，对称极化结构电极材料的成功开发为质子电池的实际应用提供了革命性的解决方案，标志着能源存储技术迈入了一个全新的时代。当前，锂离子电池虽然在能量密度和循环寿命方面表现出色，但其高昂的成本、资源稀缺性、安全隐患以及对环境的潜在污染问题，已经成为制约全球能源转型的关键瓶颈。随着全球对可再生能源需求的爆发式增长，储能技术的革新迫在眉睫。质子电池凭借其独特的优势，如质子的轻质、高离子电导率(得益于Grotthuss传导效应)以及低成本，展现出巨大的应用潜力。通过引入对称极化结构，成功解决了电极材料在酸性电解液中的溶解问题，显著提高了电极的稳定性和循环寿命，为质子电池的大规模商业化应用提供了行之有效的参考案例。

质子电池的实际应用，其意义不仅在于技术层面的突破，更在于其对全球能源格局的深远影响。质子电池的产业化将彻底改变当前的能源存储格局，推动全球能源体系向更加绿色、可持续的方向转型。首先，质子电池的低成本特性将显著降低储能系统的整体造价，使得可再生能源的大规模部署成为可能，从而加速全球能源结构的优化。其次，质子电池的高安全性和环境友好性将极大减少电池生产和使用过程中对环境的负面影响，助力全球碳中和目标的实现。尤其值得一提的是，质子电池的耐低温特性和快速充电功能，使其在极端环境下的应用成为可能，进一步拓展了其应用范围。无论是在北极地区的离网储能系统，还是在电动汽车的快速充电场景中，质子电池都将展现出无可比拟的优势。

下一代储能电池体系，质子电池，将彻底改变人类社会的能源使用方式。随着全球对可再生能源需求的不断增长，电池储能技术成为了应对下一代电池能源存储问题的关键体系。质子电池凭借其低成本、高安全性和环境友好性，有望成为下一代电池储能体系的中流砥柱。其卓越的电化学性能和超长循环寿命，使得质子电池在大规模储能、电动汽车、便携式电子设备等领域具有广泛的应用前景。

总之，对称极化结构电极材料的成功开发为质子电池的实际应用奠定了坚实的基础。质子电池的广泛应用将显著降低当前电池材料的成本，极大增强电池的安全稳定性，并为解决全球能源存储问题提供新的解决方案。本研究无疑对质子电池的实际应用起到了至关重要的推动作用，为质子电池在能源存储领域的广泛应用开辟了新的路径，有望引领电池技术朝着更优化、更环保、更高效的方向发展。质子电池的广泛应用将彻底改变当前的能源存储格局，推动全球能源体系向更加绿色、可持续的方向转型，为人类社会的可持续发展提供强有力的支撑。

文献信息

文章作者：Jianyong Zhang, Jingyuan Yu, Qin Liu, Chunhua Han, Ahmed Eissa Abdelmaoula, and Lin Xu

作者：张建永，于静远，刘琴，韩春华，Ahmed Eissa Abdelmaoula，徐林

Inhibition of quinone dissolution via symmetrically polarized effect for ultra-stable proton batteries. Energy Storage Materials, 75, 104055.

来源：邓亚琪