水系电池的质子存储与传输关键机制获揭示

最近，北京大学深圳研究生院新材料学院的潘锋教授带领团队，在水系电池领域的质子存储和传输研究上取得了重要进展。他们深入回顾了水系电池的发展历程，归纳了电化学储能中质子动力学的研究成就，揭示了质子储存与传输的规律，并强调了氢键网络及其协同转移模式的关键作用。这项研究为下一代水系电池的创新奠定了坚实的理论基础，相关成果发表在《细胞》旗下的期刊《物质》上。

水系电池因采用水作为电解质，具备高安全性和难以燃烧的特性。例如，汽车启动时常用的铅酸电池以及儿童玩具中的镍氢电池都属于水系电池，它们的运行原理涉及质子存储和传输。然而，水系电池在储能密度方面仍有不足。当前广泛应用于大规模储能的锂电池虽然能量密度较高，但因含有易燃的有机电解液，存在爆炸和燃烧的风险。因此，开发兼具高能量密度、安全性和长循环寿命的水系电池成为了学术界和产业界的热点议题。

传统水系电池主要通过金属离子实现电荷存储，但由于金属离子体积大、质量重，它们限制了电池的能量密度。而质子作为自然界最轻的电荷载体，不仅具备极高的扩散速度，还拥有理论上的容量优势。然而，质子的化学行为极为复杂，这给其实际应用带来了不小的挑战。

研究显示，与传统的金属阳离子相比，质子的存储和传输方式截然不同，其核心特性源于独特的化学键形式：与锂-氧键及钠-氧键相比，氢-氧键具有更强的共价性和饱和性。因此，质子不像金属离子那样可以形成稳定的晶体框架，而是作为间隙离子与氧离子发生吸附。此外，质子还能通过氢键与其他电负性原子产生弱相互作用，这种由氢键组成的灵活网络赋予了质子极强的传输能力（即Grotthuss机制），相比金属离子传输过程显著降低了能量障碍。

基于此，研究团队提出了三种通过氢键网络优化电池性能的策略：首先，在电极设计中，通过在固态材料内构建含水或无水的氢键网络；其次，优化电解质，通过调节酸浓度和阴离子种类提升质子传输的稳定性；最后，在电极与电解液的界面调控方面，利用氧等离子体处理电极表面，引入羟基和羧基来建立“质子桥”，有效降低界面电荷转移的阻力，从而显著提高反应动力学。

这项研究以“质子存储-传输-界面”的全链条视角全面解析了氢键网络在水系电池中的关键作用，为解决储能技术中高容量、快速充电性能与长寿命之间难平衡的行业难题提供了理论支持。通过精确设计氢键的拓扑结构，未来有望研发出性能可与锂电池媲美的新一代质子水系储能设备，推动其在实际应用中的快速发展。