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Li的原子量為3，超輕的重量使其非常適合作為化學(xué)電池中的載流子，能夠極大的提高電池的能量密度，目前鋰離子電池的重量能量密度已經(jīng)達(dá)到250Wh/kg以上，并且正在朝著300Wh/kg的目標(biāo)快速邁進(jìn)，許多動力電池廠家已經(jīng)宣稱自家動力電池單體比能量已經(jīng)達(dá)到300Wh/kg以上。

如果我們稍微注意一下化學(xué)元素周期表我們就可以看到，在Li的上方還有一個更輕的元素——H元素。H元素是自然界中輕，也是全宇宙中為普遍的元素(不考慮H的同位素)。H元素的原子核中僅有一個質(zhì)子，原子核的外有一個電子圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)，當(dāng)H原子失去電子后就成為一個帶有一個正電荷的裸露質(zhì)子，其重量僅為Li+的1/7，可以說是一種近乎完美的化學(xué)電池的載流子。

但是氫離子電池應(yīng)用有一個無法逾越的障礙——H元素通常是以H2氣體的形式存在，而不像Li元素以固態(tài)金屬的形式存在，因此大大增加了H元素的儲存難度(如果我們能夠制備金屬氫，恐怕整個儲能行業(yè)都會被顛覆)。所以目前常見的以H+為載流子的化學(xué)電池主要是氫燃料電池，H元素以H2或者與儲氫金屬形成合金的形式儲存在電池的外部。使用的時候H2輸入到燃料電池內(nèi)部的多孔陽極，失去電子轉(zhuǎn)化為H+，空氣中的O2在多孔陰極獲得電子，然后與電解液中的H+結(jié)合生成水。近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的Shahin Heidari將儲氫材料與燃料電池結(jié)合，開發(fā)了一種能夠進(jìn)行充電的“質(zhì)子”電池。采用酚醛樹脂和聚四氟乙烯制成的多孔碳電極能夠1wt%的H，并在放電的過程中重新釋放出0.8%的H，表現(xiàn)出了很高的儲氫能力和可逆性。

質(zhì)子電池是一種結(jié)合了燃料電池和儲能電池優(yōu)點(diǎn)的混合型的儲能電池，在充電的時候，H2O會被電解成為H和O，H會穿過全氟磺酸膜與儲氫材料結(jié)合，從而避免H2的產(chǎn)生。在放電的過程中儲存的H會失去一個電子生成H+，進(jìn)入到溶液之中(如下圖所示)。質(zhì)子電池的理念早由Andrews和Seif Mohanmmadi提出，以Ni、Co、La和鈰的合金作為儲氫材料，并需要采用流動的水以提供足夠的H來源，因此也被稱為“質(zhì)子流”電池。

早期的“質(zhì)子流”電池的效率很低，在充電時儲氫金屬能夠儲存0.6wt%的H，但是在放電的過程中僅僅能夠放出0.01wt%，這主要是因?yàn)镠與金屬元素之間的化學(xué)鍵的強(qiáng)度太大導(dǎo)致，導(dǎo)致存儲的H無法再次釋放。此外，由于Ni原子催化作用的存在，導(dǎo)致了在充電的過程中，H除了會存儲在合金之中，還有相當(dāng)?shù)囊徊糠諬會以H2出現(xiàn)，導(dǎo)致電池的庫倫效率過低，此外儲氫合金過高的價格也限制了其推廣和應(yīng)用。2002年Jurewicz等人發(fā)現(xiàn)經(jīng)過活化的活性炭具有電化學(xué)儲氫能力(可達(dá)1.8wt%)，為解決 “質(zhì)子流”電池儲氫問題提供了一個嶄新的思路(下表為一些具有儲氫能力的碳材料的儲氫能力)。

順著上述思路，Shahin Heidari對Andrews和Seif Mohanmmadi提出的“質(zhì)子流”電池設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，采用多孔碳電極代替儲氫合金，并在全氟磺酸固態(tài)電解質(zhì)的基礎(chǔ)上增加了強(qiáng)酸溶液作為質(zhì)子導(dǎo)體，顯著提高了“質(zhì)子”電池的性能，電池的設(shè)計如下圖所示。

Shahin Heidari設(shè)計的電池中采用了兩款儲氫負(fù)極，其中的聚四氟乙烯PTFE的含量分別為10wt%和30wt%，，兩種電池的80mA恒流充電曲線如下圖所示。30wt%PTFE的電池充電起始電壓為0.95V，并經(jīng)過1700秒達(dá)到1.85V，10%PTFE的電池初始電壓為1.05V，并經(jīng)過2000秒達(dá)到1.85V。兩種電池在電壓達(dá)到1.85V之前，負(fù)極產(chǎn)生H2的現(xiàn)象都不明顯，但是在達(dá)到1.85V后負(fù)極產(chǎn)生H2的速度就大大增加，此時我們也能夠看到電壓曲線出現(xiàn)了許多小的波動的，這主要是因?yàn)镠2泡開始在電極的表面形成(當(dāng)H2泡覆蓋在電極的表面時，電壓開始上升，當(dāng)H2泡離開時，電壓下降)，終H2產(chǎn)生的速率達(dá)到O2的兩倍左右，表明此時H已經(jīng)完全不能在多孔電極中儲存，充電過程也在此結(jié)束。

在上述的“質(zhì)子”電池完成充電后，靜置30min后進(jìn)行放電測試，為了能夠?qū)⒊龃嬖诙嗫纂姌O中的H完全釋放出來，Shahin Heidari為PTFE含量為30wt%和10wt%的兩種電池分別制定了階梯電流放電制度(如下圖所示)，以減少極化。實(shí)驗(yàn)表明含有10%PTFE的電極性能好，在充電的過程中能夠儲存1wt%的H，并能夠在放電的過程中釋放出0.8wt%，表現(xiàn)出了良好的可逆性。

從上述的介紹我們不難看出，所謂的“質(zhì)子”電池實(shí)際上是一種將燃料電池和儲氫材料結(jié)合在一起的產(chǎn)物，在充電的過程中產(chǎn)生的H被存儲在儲氫材料之中，O2進(jìn)入到空氣中，放電的過程中則完全按照燃料電池的模式進(jìn)行工作。雖然這是一個非常好的設(shè)計理念，但是在目前技術(shù)條件下“質(zhì)子”電池在性能上距離鋰離子電池還有很大的差距，例如從體積能量密度上來講，質(zhì)子電池僅為100Wh/L左右，而目前鋰離子電池體積能量密度可達(dá)600Wh/L，此外“質(zhì)子”電池的充電效率也非常讓小編懷疑，在充電的過程中會產(chǎn)生大量的H2，這些H2終會離開電極，并不會儲存在電極內(nèi)，這就導(dǎo)致了“質(zhì)子”電池的庫倫效率必然非常低。總的來說，“質(zhì)子”電池想法很好，H元素來源廣泛，價格低廉，但是從目前的技術(shù)水平來看，“質(zhì)子”電池需要走的路還很遠(yuǎn)，只有真正的解決了上述的問題，“質(zhì)子”電池才有可能對鋰離子電池的地位進(jìn)行挑戰(zhàn)。

原標(biāo)題:顛覆鋰離子電池？新型“質(zhì)子”電池解讀