研究背景
研究内容
图文导读
图1. Plasma对电极材料改性示意图及界面改性机理
▲在对质子电极材料的电化学储能机理深入探究过程中，研究发现质子与水合离子的共插层现象是产生优异电化学性能的关键因素。经特定处理后的电极，呈现出更为深层次的电化学插层行为(图 3a - b，e - f)，此结果与前文电化学极化研究所得结论相符。在原位 X 射线衍射(XRD)结果中，可以观察到更为显著的峰迁移差值(图 3c - d，g - h)，这为双电荷载流子嵌入相关研究开辟了崭新的思路。此外，在对储能机理的进一步研究中还发现，在三氧化钼储存质子的过程中，存在部分质子不完全脱嵌的行为，这一现象与锂离子电池中经典的不完全脱嵌行为相类似。此结果有力地证明了部分嵌入的质子会留存于电极材料之中，进而形成新的物相，具体反应方程式如下：
Discharge for the first cycle:
MoO3 + HxH2Ox++ x e- → HxMoO3·H2O
After first cycle
Charge:
HxMoO3·H2O ↔ H0.34MoO3 + H(x-0.34) H2O(x-0.34)+ + (x-0.34) e-
Discharge：
H0.34MoO3 + H(x-0.34) H2O(x-0.34)+ + (x-0.34) e-↔HxMoO3·H2O
▲在本研究中精心设计的全电池展现出卓越的性能，其在各类电子设备中具备极佳的适用性，并且呈现出优异的电化学稳定性。值得注意的是，所提出的创新性界面化学策略发挥了关键作用，该策略成功消除了电解液对电极材料、电池外壳、集流体以及测试设备的腐蚀性问题。具体而言，电解液的腐蚀性往往会对电池的各个组件造成损害，进而影响电池的整体性能和使用寿命。而本研究中的界面化学策略通过精准调控电极与电解液之间的界面性质，有效抑制了腐蚀性过程。这一成果为质子电池全电池在更广泛的领域和场景中的应用奠定了坚实基础，极大地拓展了其应用范围，使得质子电池全电池有望在众多电子设备领域实现更为广泛的部署和应用，为电子设备的能源供应提供更可靠、稳定且持久的解决方案。
研究结论
综上所述，经精心设计的质子电池全电池呈现出极为可观的应用前景。当前，锂离子电池面临着诸多棘手问题，包括价格高昂、存在高危险性、易造成高污染、在低温环境下性能欠佳以及充放电速度缓慢等。相比之下，质子电池能够有效解决这些问题。质子电池自身具备低成本、高安全性、低污染、耐低温以及可快速充放电等一系列卓越特性，这使得它在大规模、低成本储能领域蕴含着巨大的应用潜力。这些卓越特性相互交织，共同赋予了质子电池在大规模、低成本储能领域中巨大的应用潜力，使其宛如一座蕴藏丰富的宝藏等待人们去挖掘。质子电池极具潜力成为下一代电池储能体系的中流砥柱，宛如一把钥匙，用于开启解决当前严峻储能要求的大门。
质子电池的实际应用，其意义非凡。质子电池的产业化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。尤其值得一提的是，质子电池能够在北方极寒地区正常工作，同时支持快速充电功能，并且其产生的污染极低。这些优势综合起来，使得质子电池能够适用于众多场景，从而极大地缓解了锂离子电池现存的痛点问题。经过设计的质子全电池可广泛应用于对安全性、稳定性和长寿命有严格要求的电子器件中，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。
文献信息
Jianyong Zhang, Kai Fu, Kai Du, Cheng Wen, Jingyuan Yu, Chunhua Han, Yuxiang Hu, and Lin Xu*, Realizing a Mildly Acidic Proton Battery via Surface Functionalization, ACS Energy Lett. 2024.
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c02571
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