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横空出世，改变世界的研究！现有电池将被取代，今日最新《Nature》！

2021-05-06 15:31:08 15 543

研究背景

在仅几十年内，锂离子电池就引发技术革命，使便携式设备和电动汽车激增，给社会带来了巨大经济效益。锂离子电池（简称LIB）是一种可充电电池，最早由埃克森美孚(Exxon)的化学家斯坦利•惠廷汉姆(M Stanley Whittingham)于20世纪70年代提出。锂离子电池通常用于便携式电子设备和电动汽车，并且在军事和航空航天应用中日益流行。在电池中，锂离子在放电过程中从负极移动到正极，在充电过程中返回。与不可充电锂电池中使用的金属锂相比，锂离子电池使用嵌入锂化合物作为电极材料。电池具有高能量密度，没有记忆效应（除了LFP电池）和低自放电。然而，它们可能是一种安全隐患，因为它们含有易燃电解质，如果损坏或充电不当，可能导致爆炸和火灾。锂离子电池起火后，三星被迫召回 Galaxy Note 7手机，波音787上也发生过几起电池事故。

近年来技术的快速发展凸显了开采锂、钴和其他矿物矿石资源的道德和环境挑战，以及与电池的安全使用和无害处置相关的问题。只有一小部分锂离子电池被回收，进一步加剧了全球战略元素的物质供应。一个潜在的替代方案是使用有机氧化还原活性材料来开发可充电电池，这些电池来源于合乎道德的可持续材料，并能够按需进行分解和重建。制造这种电池具有挑战性，因为活性材料在操作过程中必须稳定，但在寿命结束时可降解。此外，降解产物应该是对环境无害的，或者是可回收的，以便重建成新电池。

与锂离子电池相比，有机自由基电池有望提高环境友好性、独立于战略金属，具有更快的充电速度。然而，即使考虑到有机聚合物材料的有利方面，一个关键的挑战是设计考虑到寿命终止的功能塑料。有机自由基电池中研究最多的活性材料是带有氧化还原活性侧基的聚合物，以及不可降解的脂肪族骨架。虽然有一些研究涉及了氧化还原活性可降解聚合物，其他研究探索了全聚合电池，但目前为止没有一项研究将这两个概念结合起来，创造出可按需降解的全聚合无金属电池，这将是设计可持续、可回收电池的第一步。

研究成果

为解决这个世界难题，今日，美国德州农工大学Karen L. Wooley教授课题组报道了一种不含金属的多肽电池，其中紫罗精和氮氧自由基作为氧化还原活性基团沿着多肽主链分别作为阳极和阴极材料。这些氧化还原活性多肽作为活性物质，在电池运行期间是稳定的，随后在酸性条件下根据需要降解，产生氨基酸、其他构建模块和降解产物。通过将可降解多肽主链与氧化还原活性部分的储能特性相结合，这种基于生物灵感的多肽电池解决了传统锂离子电池的一些挑战(例如，稀缺资源的使用、安全问题和高成本回收)。这种基于多肽的电池是解决未来循环经济中绿色和可持续电池替代化学物质需求的第一步，有望取代锂离子电池！相关研究工作以“Polypeptide organic radical batteries”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

图文速递

图1 一种基于多肽的有机自由基电池

图2 氧化还原活性多肽的合成

作者报道了一种可以按需降解的多肽电池(图1)。设计并合成了含有氧化还原活性侧基的多肽阳极和阴极，测定了它们的氧化还原活性，并确定了它们在全多肽电池中的行为。首先，将每种多肽组装成锂金属半电池，以阐明其基本的储能特性。然后，构建了一个无金属的多肽电池。作为可回收性的证明，作者在酸性条件下进行水解降解，并测定降解产物。此外，量化了完整的氧化还原活性多肽及其降解产物对三种不同细胞类型活性的影响。

图3 氧化还原活性多肽的循环伏安图

图4 多肽复合物半电池和全电池的电化学响应

作者制备了不含金属、完全基于多肽的电池，使用浸有电解质的滤纸作为夹层电池结构中的隔膜，具有紫外-氯多肽复合阳极和双-磷酸多肽复合阴极。完全基于多肽的细胞的理论容量计算为44.5毫安时/克。循环伏安法产生两对峰，集中在1.3 V和1.6 V附近，与多肽复合物阳极和阴极的氧化还原电位的差异一致。多肽基电池的循环稳定性通过在1C下250个循环的恒电流充电来测定。在充放电曲线中，出现了两个平台，分别为1.1 V和1.6 V。在250次循环后，1C时全电池的充电容量从初始值37.8毫安时/克 (理论容量的85%)降至7.5毫安时/克(图4g-I)。所有循环的库仑效率都低于100%，这是因为viol-Cl 和biTEMPO多肽溶解在电解液中。虽然发生了溶解，但循环后的容量仍然大于对照组(无多肽)，这证实了即使在250个循环后，剩余多肽的活性。50次循环后，任一复合电极都没有可见的分层或形态变化。

图5 紫罗精和biTEMPO多肽的降解

结论与展望

在这项研究中，作者设计了一种不含金属、全多肽的有机自由基电池，由氧化还原活性氨基酸大分子组成，可按需降解。这一概念代表着向可持续、可回收电池和最大限度减少全球对战略金属依赖迈出的第一步。紫罗精和biTEMPO多肽阳极和阴极分别通过高反应性环状N-羧基酸酐的开环聚合，随后连续聚合后修饰以引入氧化还原活性基团来合成。多肽电池的最大充电容量为37.8毫安时/克(理论容量为44.5毫安时/克)。活性成分在酸的存在下按需降解，以再生起始氨基酸和其他构件。展望未来，作者指出主要的挑战是防止活性物质的溶解和提高整体细胞容量。未来的研究应侧重于通过交联、后处理修饰或利用多肽在液流电池中的溶解度来防止多肽的溶解。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03399-1

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