基于可再生生物分子的电化学储能材料

当前,二次锂离子、钠离子电池和超级电容器作为新型的储能、供电器件,已被广泛应用于便携式电子产品、电动汽车、航天航空等领域。通常,构建锂、钠离子电池和超级电容器的电极材料,主要是一些具有电化学活性的金属化合物以及部分人工合成的有机材料。虽然这些电极材料具有较高的比容量,并且展现出了可观的应用前景,但是面临着因资源过度开采而不断攀升的制造成本、较差的生物相容性及安全隐患等问题,特别是在服役期后将产生大量的电子垃圾。因此,研究绿色、生物相容性好、比容量高的电极材料与器件将是下一代、可持续型储能系统发展的必然方向。

在自然界中,大到宏观生态系统、具体到生物个体,小到微观细胞分子尺度,无处不存在高效的能量转换和存储系统。道法自然,研究人员开发出一些来源于生物质的、新颖、高效、清洁环保、可再生的储能材料。这些基于生物分子的活性材料,具有良好的电化学储能性能,并展示出在柔性、可生物相容、可生物降解等储能器件中的应用前景。

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近期,北京航空航天大学郭林教授课题组综述了基于可再生生物分子的电化学储能材料的研究进展。首先,细胞膜胞外电子传递链中囊括的具有氧化还原活性的电子载体,具有多样化的化学结构和电荷转移及存储性能。通过分析这些电子载体的分子结构,归纳总结出几类具有可逆氧化还原官能团、可从生物体中提取的化合物。其次,介绍了已被研究应用于储能器件的生物分子,例如从属于醌类分子的腐殖酸、黑色素、木质素、核桃醌、指甲花醌等生物分子,属于蝶啶衍生物的核黄素、黄素单核苷酸、黄素腺嘌呤二核苷酸等生物分子。列举并讨论了这些可再生的生物分子,应用于超级电容器、二次电池及液流电池等的研究现状与存在问题。最后,作者展望,为了实现最终的“绿色电池”,基于生物分子的活性材料的能量密度仍有待提高,现有的电解液需要更新换代,来实现可生物降解的高性能全电池。

本工作发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700663)上。