北京大学深圳研究生院先进材料学院潘锋教授团队在水系电池研究领域取得重大突破，揭示了水系电池中质子存储和传输的关键机制，为开发更安全、充电更快、容量更高的新型电池提供了理论支撑。相关研究成果以“水性电池中的质子存储和传输”为题，发表在《Matter》杂志上。

水系电池因采用水基电解质，本质上比锂离子电池更安全，但传统上存在能量密度较低的问题。质子由于质量轻、迁移率高，被视为极具潜力的电荷载体，然而其复杂的化学性质限制了实际应用。潘锋教授团队通过深入研究，成功揭示了质子通过类似格罗特胡斯(Grotthuss)的机制移动，即在氢键之间跳跃，而非像金属离子那样扩散。这一发现使得超快速、“无扩散”的质子传输成为可能，为高性能水系电池的研发奠定了基础。

该研究不仅解决了能源存储领域长期存在的兼顾安全性和高性能的挑战，还提出了利用氢键网络工程优化水性电池性能的三种核心策略：

一是电极设计创新。研究人员建议在固态材料中嵌入含水或无水氢键网络，以构建明确的质子传输路径，从而提升电池性能。

二是电解质调节优化。通过调节电解质中酸的浓度和阴离子的类型，研究团队成功稳定并增强了质子传导性，为电池的高效运行提供了保障。

三是界面工程改进。研究小组发现，通过修改电极表面，如使用氧等离子体处理引入羟基(-OH)和羧基(-COOH)基团，可以创建质子桥接通道，显著降低界面电荷转移阻力，改善反应动力学。

这些策略共同形成了一个统一的框架，深入阐明了水系统中质子的行为规律，为开发兼具安全性和高性能的下一代质子水性电池铺平了道路。

展望未来，通过设计氢键网络，新型水系电池有望实现更高的能量密度、更快的充电速度和更长的使用寿命。这一突破将有力推动电池技术在电网存储、便携式电子产品和电动汽车等领域的广泛应用，为绿色制造和可持续发展贡献力量。

更多信息： Runzhi Qin 等，《水系电池中的质子存储与转移》，Matter (2025)。