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由氧化還原活性聚合物電極組成的水系全聚合物質子電池(APPBs)被認為是安全和清潔的可再生能源存儲來源。然而，APPBs在承受高電流倍率的同時，在水系電解液的狹窄電化學窗口內最大化高電池輸出電壓仍然存在巨大挑戰。

吉林大學晁單明、賈曉騰等采用鄰苯二酚基正極和醌基聚氨酯（PUQ）負極開發了一種具有優異電化學性能的全聚合物水系質子電池。

圖1 全聚合物質子電池的聚合物電極和氧化還原反應示意圖

通過將仿生氧化還原活性鄰苯二酚懸垂物引入聚（3,4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT）骨架，可以實現高氧化還原電位（0.60 V vs Ag/AgCl）正極，這歸因于顯著的電子離域。氧化還原懸垂物和共軛骨架的電子云分離有利于贗電容電荷存儲，從而實現優異的倍率性能。此外，具有硬段和軟段的擴散型醌基聚合物負極可以增加過電位并減少體積變化引起的電極破裂，從而提高循環穩定性。

圖2 聚合物電極在不同充電/放電狀態下的結構表征

因此，與擴散型醌基聚合物負極相結合，APPBs可提供0.72 V的高電池電壓、出色的倍率性能（從0.5到25 A g^-1的容量保持率為64.8%）和循環穩定性（在2 A g^-1下循環1000次后容量保持率超過80%），優于最先進的有機質子全電池。

此外，DFT計算和非原位結構表征可加深對醌基聚合物電極中質子存儲機制的理解。這些結果突出了合理設計用于可持續儲能系統的高性能聚合物電極的可行性。

圖3 水系全聚合物質子電池的性能

Bioinspired Catechol-Grafting PEDOT Cathode for an All-Polymer Aqueous Proton Battery with High Voltage and Outstanding Rate Capacity. Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202103896

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吉大晁單明/賈曉騰Adv. Sci.：具有優異電化學性能的全聚合物水系質子電池

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