電池界的新寵兒——水合氫離子電池

材料牛注：前方高能！當第一主族元素Li、Na、K元素相繼成為電池界爭相研究的焦點時，水合氫離子的出現徹底顛覆了電池界的認知，在這一場電池離子較量中，哪種電池將最終脫穎而出呢？讓我們拭目以待。

模擬PTCDA單細胞合并兩個水合氫離子示意圖

近日，俄勒岡州立大學的科學家開發出一種新型電池，它展現出實現可持續、高功率能量存儲的潛力，同時，它也是世界上第一個只使用水合氫離子作為載流子的電池。這種新型水合氫離子電池為研究人員在能量存儲，特別是固定存儲領域提供了新的選擇。

固定存儲是指在備用或緊急情況下使用的，能夠存儲電網電力的固定電池——包括從例如風力發電機或太陽能電池等新能源設備產生的電力。

水合氫，也稱為H₃O⁺，是一種當將質子加入水分子時產生的帶正電離子。俄勒岡州立大學理學院的研究人員已經證實，水合氫離子能夠可逆地存儲在由苝四羧酸二酐（PTCDA）組成的電極材料中。

這種材料是固相的有機分子晶體，俄勒岡州立大學化學系利用該材料制成電極，并以稀硫酸作為電解質組裝成電池。該研究成果已發表在由德國化學學會的出版物《德國應用化學·國際版》上，研究生Xingfeng Wang是該論文的第一作者。

這項研究通訊作者——俄勒岡州立大學化學系副教授Xiulei Ji介紹道：“這可能為可持續電池的未來提供一個顛覆性的契機，它不使用鋰離子、鈉離子或鉀離子來傳輸電荷，而只使用酸作為電解質。同時，這種天然的酸儲量豐富，可見它是高度可再生和可持續發展的。”

Ji教授指出，到目前為止，已經用于電池中的陽離子包括堿金屬離子、堿土金屬離子或鋁離子，他說：“人們認為，電池中沒有非金屬陽離子會帶來嚴重的問題，無法實現電量的存儲和釋放。”

研究中觀察到在PTCDA結構層間嵌入離子的過程中，晶格結構出現大的體積膨脹。這意味著電極被充電，并且PTCDA結構不是受已在一些電池中使用的極小質子影響，而是被水合氫離子撐開。

Ji教授說：“雖然有機固體通常不被視為晶體電極材料，但一些有機固體以非常有序的結構排列，有很好的結晶性能。這種PTCDA材料在其分子組分之間有很多內部空間，因此提供了存儲大尺寸離子和實現良好容量的契機。”

同時，水合氫離子以相對較低的“摩擦”在電極結構中遷移，這實現了電池的高功率特性。

Ji教授說：“雖然這樣的電池無法給電動汽車供電，但是它確實為電池研究人員提供了全新的方向，一個尋找能量存儲領域新的替代物，特別是應用于固定電網儲能的機會。”

原文鏈接：Hydronium-ion battery presents opportunity.

文獻鏈接：Hydronium-Ion Batteries with Perylenetetracarboxylic Dianhydride Crystals as an Electrode.

本文由材料人編輯部月亮提供素材，李雅倩編譯，黃超審核；點我加入材料人編輯部。

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