水系電池以水溶液作為電解質，具有安全性高、不易燃燒的本征優(yōu)勢。例如，汽車啟動電源常用的鉛酸電池和兒童玩具中為確保安全而采用的鎳-氫電池均為水系電池，其工作原理涉及質子的存儲與傳輸。然而，這類電池存在儲能密度較低的缺點，不足以滿足日益提高的需求。目前業(yè)內尚未有兼具高能量密度、長循環(huán)壽命且安全的電池體系。因此，在保留水系電解液高安全特性的前提下，利用質子的存儲和傳輸特點開發(fā)高能量水系電池，已成為學術與產業(yè)界的重要研究方向。
傳統(tǒng)水系電池依賴金屬離子（如Zn2?）進行電荷存儲，但金屬離子半徑大、質量重，限制了電池的能量密度。相比之下，質子（H?）作為自然界最輕的電荷載體（半徑僅0.831 fm，摩爾質量僅為1 g/mol），具有超高的擴散速率和理論容量優(yōu)勢。然而，質子化學行為的復雜性長期制約其實際應用。北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊圍繞水系電池中氫鍵網絡與質子化學問題開展系列研究，取得重要突破：提出質子借助短氫鍵快速傳輸機制（Nat. Commun., 2022, 13, 6666），揭示電極界面水和氫鍵網絡的有序重排（Nature, 2021, 600, 81–85），發(fā)展電解液氫鍵網絡調控方法（Nano Energy, 2021, 80, 105478），實現錳基材料和釩基材料在水系電池中的質子和金屬離子共嵌入（Nano-micro Lett., 2021, 13, 173），并開發(fā)多種基于質子Grotthuss傳輸的電極材料（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 4169–4174; Adv. Energy. Mater., 2023, 13, 2203915）。
近日，潘鋒團隊在水系電池中的質子存儲與傳輸方面取得重要進展。研究團隊系統(tǒng)梳理了水系電池發(fā)展歷史，全面總結了電化學儲能過程中質子動力學的研究成果，揭示了質子儲存與傳輸規(guī)律，闡明了氫鍵網絡及其質子協(xié)同轉移模式的重要作用，為新一代水系電池開發(fā)奠定理論基礎。相關成果以“Proton storage and transfer in aqueous batteries”為題發(fā)表于國際知名學術期刊Cell子刊《Matter》（doi/10.1016/j.matt.2025.102165）。
質子存儲與傳輸行為與傳統(tǒng)金屬陽離子存在顯著差異，其核心在于質子獨特的成鍵方式：與Li-O 和 Na-O相比，H-O 鍵共價性更強且具有飽和性，因此質子無法像金屬離子那樣與O離子形成連續(xù)穩(wěn)固的晶體框架，而傾向于作為間隙離子附著于O離子上。此外，質子可通過氫鍵與其他電負性原子形成弱相互作用。這種靈活的氫鍵網絡使質子具備Grotthuss傳輸特性——通過O-H···O氫鍵與O-H共價鍵的快速轉換，實現質子超高速傳輸（又稱“無擴散傳輸”），其能壘遠低于需攜溶劑化殼層穿越氫鍵網絡的傳統(tǒng)金屬離子。這種獨特的成鍵方式使通過調控電池材料中的氫鍵網絡結構來增強質子參與度、提升電池性能成為可能。
圖1. 質子的成鍵、存儲、傳輸方式與其他金屬陽離子區(qū)別
團隊總結了使用氫鍵網絡工程優(yōu)化電池各組件性能的三大路徑：
1.電極設計：在固態(tài)電極材料中構建含水/無水氫鍵網絡；
2.電解質優(yōu)化策略：通過調控酸濃度與陰離子類型實現高穩(wěn)定性質子傳輸；
3.電極/電解液界面調控：采用氧等離子體處理電極表面，引入羥基（-OH）和羧基（-COOH）構建“質子橋接通道”，顯著降低界面電荷轉移電阻，大幅提升反應動力學。
圖2. 質子在電極/電解液界面?zhèn)鬏斕匦?/span>
本研究首次從“質子存儲-傳輸-界面”全鏈條視角闡明氫鍵網絡在水系電池中的樞紐作用，為破解儲能領域“高容量/快充特性與長壽命難以兼顧”的行業(yè)困境提供理論支撐。通過精準設計氫鍵拓撲網絡，有望開辟媲美鋰電池性能的新賽道，推動新一代質子水系儲能設備的研發(fā)與應用。
北京大學深圳研究生院新材料學院教授潘鋒及助理研究員李舜寧為本文通訊作者，助理研究員秦潤之、博士生張明正為共同第一作者。本研究由國家自然科學基金、廣東省重點實驗室等項目資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102165
