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》杂志上的最新发现强调了这种电池快速储存能量、使用寿命更长、在零下条件下表现良好的能力。
四氨基苯醌（TABQ）是由博士候选人吴思成和赵川教授与新南威尔士大学工程学院和ANSTO合作开发的，已被证明可以通过氢键网络支持质子的快速运动。
“我们已经开发出一种新的、高容量的小分子质子存储材料，”赵教授说。“使用这种材料，我们成功地制造了一种全有机质子电池，在室温和零度以下的冷冻温度下都有效。”
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。携带电荷的粒子，被称为离子，通过电池的中间成分，被称为电解质转移。
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转移锂离子来产生电荷，是最广泛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新型电动交通产品提供动力。然而，它们很难回收，并且需要大量的水和能源来生产。
“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，”化学学院的博士候选人吴思成先生说。
“锂是一种有限的资源，在地球上的分布并不均匀，所以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和安全性方面也面临着很大的挑战，而且它们在低温下的效率很低。”
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。
质子电池作为一种创新的、可持续的替代能源，在能源领域受到越来越多的关注，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。使用质子可以使电池具有高能量和功率密度，此外，质子相对便宜，产生零碳排放，并且可以快速充电。
“质子电池有很多好处，”吴先生说。“但是目前用于质子电池的电极材料，其中一些是由有机材料制成的，另一些是由金属制成的，很重，而且成本仍然很高。”
虽然一些有机电极材料已经存在，但它们也受到电压范围的限制，需要进一步研究才能使它们成为可行的电池。
氧化还原电位是电化学中的一个基本参数。它与电流有关，这对设计电池很重要。电池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定位在一个高范围，阳极的氧化还原电位需要定位在一个低范围，以确保理想的电池电压输出。
为了制造他们的电极材料，研究小组从一种叫做四氯苯醌（TCBQ）的小分子开始，它包含四个氯基团。虽然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，不能用作阳极，也不够高，不能用作阴极。
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。
在对该化合物进行多轮修饰后，研究人员决定用四个氨基取代四个氯基，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材料储存质子的能力，并降低了其氧化还原电位范围。
赵教授说：“如果你只看看我们设计的TABQ材料，它目前的生产成本并不一定便宜。”“但因为它是由丰富的轻元素组成的，所以最终扩大规模将很容易而且负担得起。”
当研究人员测试质子电池时，结果非常有希望。
结合TCBQ阴极，全有机电池具有长循环寿命（3,500次完全充电，然后完全耗尽电池），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步骤。
赵教授说：“锂离子电池中的电解质是由锂盐制成的，锂盐是一种易燃的溶剂，因此是一个大问题。”“在我们的案例中，我们的两个电极都是由有机分子制成的，在两者之间我们有水溶液，使我们的原型电池重量轻，安全且价格合理。”
“目前，我们没有任何适合的解决方案来实现电网规模的储能，因为由于价格和缺乏安全性，我们不能使用成吨的锂电池来完成这项工作，”吴先生说。
考虑到通过此次合作设计的质子电池的低成本、高安全性和快速充电性能，它有可能被用于各种情况，包括电网规模的储能。
“为了提高可再生能源的使用，我们必须开发一些更有效的能源集成技术，我们的质子电池设计是一个很有前途的试验，”吴先生说。
虽然潜在的应用是巨大的，但研究人员决心改进和完善他们的质子电池。
“我们已经设计了一种非常好的阳极材料，未来的工作将转移到阴极侧。我们将继续设计新的有机材料，具有更高的氧化还原电位范围，以增加电池输出电压，”吴先生说。
赵教授还指出，他最兴奋的是他们已经确定的独特的质子传输机制。“质子传输是自然界最基本的过程之一，从人体到植物，”他说。“我们实际上可以研究如何将这种有机分子用于广泛的应用，例如储氢。
“分子氢（H2）非常活泼，因此难以储存和运输。这是目前氢工业的瓶颈。然而，氢也以稳定的形式存在：质子（H+）。”
储存质子的材料的发展，意味着氢可以很容易地运输到世界各地，然后在需要的时候和地方提取。“我们的发现使这个概念成为可能的现实，”他补充道。
这项研究是与新南威尔士大学化学学院何俊明教授的团队、新南威尔士大学工程学院前博士生陈汉博士和ASNTO的Jitraporn Vongsvivut博士合作的一部分。
