在僅幾十年的時間里，鋰離子電池就徹底改變了技術，使便攜式設備和電動汽車迅速普及，為社會帶來了巨大利益。然而，技術的飛速發(fā)展凸顯了開采鋰，鈷和其他礦產資源的道德和環(huán)境挑戰(zhàn)，以及與安全使用和無害處置電池相關的問題。 僅一小部分鋰離子電池被回收，這進一步加劇了全球戰(zhàn)略要素的材料供應。一種潛在的替代方法是使用基于有機物的氧化還原活性材料來開發(fā)可充電電池，該電池源自符合道德標準的可持續(xù)材料，并能夠按需進行解構和重建。 制造此類電池具有挑戰(zhàn)性，因為活性材料在運行期間必須穩(wěn)定，但使用壽命終止時可降解。此外，降解產物應在環(huán)境上無害或可回收再利用，以重建成新電池。

 

　　【科研摘要】

 

　　最近， 德州農工大學 Jodie L. Lutkenhaus 和 Karen L. Wooley 教授 團隊 展示了 一種不含金屬的，基于多肽的電池，其中紫精和氮氧化物自由基作為氧化還原活性基團沿著多肽主鏈被引入，分別充當陽極和陰極材料。這些氧化還原活性多肽用作在電池運行期間穩(wěn)定的活性材料，隨后在酸性條件下按需降解以生成氨基酸，其他結構單元和降解產物。 這種基于多肽的電池是解決未來循環(huán)經(jīng)濟中對綠色和可持續(xù)電池的替代化學需求的第一步。相關論文以題為 Polypeptide organic radical batteries 發(fā)表在《 Nature 》上。

 

　　【主圖導讀】

圖 1：基于多肽的有機自由基電池。

圖 2：氧化還原活性多肽的合成。

圖 3：氧化還原活性多肽的循環(huán)伏安圖。

圖 4：多肽復合半細胞和全細胞的電化學反應。

圖 5：紫精和biTEMPO多肽的降解。

 

　　【總結】

 

　　團隊設計了一種無金屬的全多肽有機自由基電池，該電池包含可按需降解的氧化還原活性氨基酸大分子。這一概念代表了朝著可持續(xù)，可循環(huán)再利用的電池邁出的第一步，并將全球對戰(zhàn)略金屬的依賴性降至最低。 紫精和 biTEMPO多肽的陽極和陰極分別是通過高反應性環(huán)狀N-羧基酐的開環(huán)聚合反應，隨后進行順序的聚合后修飾以引入氧化還原活性基團而合成的。多肽電池的最大充電容量為37.8 mA h g -1 （理論容量為44.5 mA h g -1 ）。 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結構單元。展望未來，主要挑戰(zhàn)是防止活性物質 溶解和提高整體電池容量。未來的研究應集中在通過交聯(lián)，后處理修飾 45或利用多肽在液流電池中的溶解度來防止多肽溶解。

 

　　參考文獻 ： doi.org/10.1038/s41586-021-03399-1