《Nature》：不含金属！这款有机电池还可以按需降解

在过去几十年的时间里，锂离子电池带来了颠覆性的技术，使便携式设备和电动汽车得以普及，为社会生活带来了实质性的好处。然而，技术的快速发展，凸显了开采锂、钴和其他矿产资源的伦理和环境问题，以及与电池的安全使用和无害处理相关的问题。实际生产中，只有一小部分锂离子电池进行了回收利用，这进一步加剧了战略元素的全球材料供应。

一种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，这种电池来源于更合乎伦理道德且可持续的材料，同时，可按需进行解构和重建。但是，制造这种电池是一项挑战，因为活性材料必须在运行过程中保持稳定，且在寿命结束时可降解。此外，降解产物应该是环境友好的或可回收的，以便循环利用。

在此，来自德国农工大学的 Jodie L. Lutkenhaus & Karen L. Wooley等研究者，展示了一种无金属的多肽基电池，其中紫罗碱和氮氧化物自由基作为氧化还原活性基团，沿着多肽骨架分别作为负极和正极材料。相关论文以题为“Polypeptide organic radical batteries”发表在Nature上。

论文链接：

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

与锂离子电池相比，有机电池有望提高环境友好性，它不依赖战略金属，同时充电速度更快。然而，即使考虑到有机高分子材料的有利方面，一个关键的挑战仍不可避免，就是对功能塑料的设计与寿命结束的考虑。有机自由基电池中研究最多的活性材料，是在不可降解的脂肪族骨架上，携带氧化还原活性基团的聚合物，如2,2,6,6-四甲基-4-哌啶-1-氧基(TEMPO)和4,4-联吡啶衍生物(紫罗碱)。虽然此前有研究者获得了氧化还原活性可降解聚合物，也有一些研究探索了完全聚合电池，但还没有人将这两个概念结合起来，创造出可按需降解的全聚合物无金属电池，这是设计可持续、可回收电池的第一步。研究者推测，多肽骨架上具有氧化还原活性的垂基团可能为可降解有机自由基电池提供了一个合适的材料平台。

在此，研究者报告了一种按需可降解的多肽电池(图1)。研究者设计并合成了含有氧化还原活性基团的多肽正极，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，每个多肽组装成一个锂金属半电池，以阐明其基本的储能特性。然后，研究者构建了一个无金属多肽基电池。为了证明可回收性，研究者在酸性条件下，进行了水解降解，并确定了降解产物。此外，研究者还量化了完整的氧化还原活性多肽及其降解产物，对三种不同电池类型生存能力的影响。通过将可降解多肽骨架与氧化还原活性部分的储能特性相结合，这种仿生多肽电池，解决了传统锂离子电池的一些挑战(例如，稀缺资源的使用、安全问题和高成本的循环利用)。

图1 多肽基有机自由基电池。

研究表明，这些氧化还原活性多肽作为活性材料，在电池运行期间是稳定的，随后在酸性条件下按需降解，生成氨基酸、其他构件和降解产物。

图2 氧化还原活性多肽的合成。

图3 氧化还原活性多肽的循环伏安图。

图4 多肽复合材料半电池和全电池的电化学响应。

图5 紫罗碱和biTEMPO多肽的降解。

综上所述，研究者设计了一个无金属，全多肽有机自由基电池，设计包括了氧化还原活性氨基酸大分子降解的需求。这一概念，代表了迈向可持续、可回收电池，和减少全球对战略金属的依赖的第一步。

紫罗碱和biTEMPO多肽的阳极和阴极，分别是通过高反应性的环状N-羧基氢化物开环聚合，然后进行后聚合修饰，以纳入氧化还原活性基团。多肽电池的最大充电容量为37.8 mA h g⁻¹(理论容量为44.5 mA h g⁻¹)。活性成分在酸的存在下，可按需降解，以再生起始氨基酸和其他构件。展望未来，主要挑战是防止活性物质的溶解和提高整体电池容量。未来的研究，应集中在通过交联、后处理修饰或利用多肽在流动电池中的溶解度，来防止多肽的溶解。（文：水生）