在短短幾十年時間里，鋰離子電池帶來了技術革命，使便攜式設備和電動汽車得以普及，故而為社會帶來了巨大的利益。然而，技術快速發展的同時也使得開采鋰、鈷和其他礦產資源的倫理和環境受到了極大挑戰，除此之外與電池的安全使用和無害處理相關的問題也日益突出。
故而，一種潛在的替代方案是使用有機氧化還原活性材料來開發可充電電池，這些電池來源于滿足可持續發展要求的材料，并能夠按需進行解構和重建。然而，由于活性材料必須在運行過程中保持穩定，且在壽命結束時可降解，使得制造這種電池成為該領域的一項挑戰。此外，降解產物應該是環境良性的或可回收的。
多肽基生物電池
有鑒于此，德州農工大學的Jodie L. Lutkenhaus和Karen L. Wooley教授等發展了一種無金屬的多肽基電池，其中紫羅精和氮氧化物自由基作為氧化還原活性基團環繞著多肽骨架，分別作為負極和正極材料。這種基于多肽的電池是解決未來循環經濟中綠色和可持續電池的替代化學需求的第一步。
第一作者：Tan P. Nguyen, Alexandra D. Easley
通訊作者：Jodie L. Lutkenhaus，Karen L. Wooley
通訊單位：德州農工大學
研究亮點
1、全新的無金屬全多肽有機自由基電池，該電池包含可按需降解的氧化還原活性氨基酸大分子。
2、將全球對戰略金屬的依賴性降至最低，這一概念代表了朝著可持續、可循環再利用的電池邁出的重要第一步。
3、電池活性成分在酸的存在下可以按需降解，以再生起始氨基酸和其他材料。
圖1多肽基有機自由基電池。
研究人員發展了一種無金屬的按需可降解的多肽基電池。多肽骨架周圍的紫羅精和氮氧化物自由基作為氧化還原活性基團，分別充當負極和正極材料。上述氧化還原活性多肽作為活性材料，在電池運行期間是穩定的，但是在隨后的酸性條件下可以按需降解，生成氨基酸、其他構件和降解產物。通過將可降解多肽骨架與氧化還原活性部分的儲能特性相結合，這種多肽生物電池解決了傳統鋰離子電池的一些挑戰(例如，稀缺資源的使用、安全問題和高成本的回收。
圖2氧化還原活性多肽的合成。
與鋰離子電池相比，有機電池有望提高環境友好性，同時不依賴戰略金屬資源，達到更加迅速的充電速度。有機自由基電池中研究最多的活性材料是在不可降解的脂肪族骨架上攜帶氧化還原活性基團的聚合物，如2,2,6,6-四甲基-4-哌啶-1-氧基(TEMPO)和4,4 ' -聯吡啶衍生物(紫羅精)。雖然有一些報道研究了氧化還原活性可降解聚合物，也有一些探索了全聚合有機電池，但沒有一個研究將這兩個概念結合起來。如果能創造出按需降解的全聚合金屬電池，這將是設計可持續、可回收電池的重要一步。
圖3氧化還原活性多肽的循環伏安曲線。
圖4半電池和全電池多肽復合物的電化學響應。
基于上述想法，研究者認為多肽骨架上具有氧化還原活性基團可能為可降解有機自由基電池提供一個合適的材料平臺。他們設計并合成了含有氧化還原活性基團的多肽正極，測定了它們的氧化還原活性，并確定了它們在全多肽電池中的行為。
首先，將每個多肽組裝成一個鋰金屬半電池，用以闡明其基本的儲能特性。然后，構建了一個無金屬的多肽基全電池。同時，為了證明可回收性，在酸性條件下進行了水解降解，并確定了降解產物。此外，還探索了完整的氧化還原活性多肽及其降解產物對三種不同細胞類型生存能力的影響。
圖5紫羅精和biTEMPO多肽的降解。
紫羅精和biTEMPO多肽首先是通過高反應性環狀N-羧基酐的開環聚合反應，隨后進行順序的聚合后修飾以引入氧化還原活性基團而合成的。研究發現，該多肽生物電池的最大充電容量為37.8 mA h g-1（理論容量為44.5 mA h g-1）。循環50次后，電極未出現明顯衰減，由降解產物重建聚合物將是可回收性的有力證據。研究證明，氧化還原活性聚合物可以通過以下方式進行重構：
（1）再生的谷氨酸可以直接作為主要合成原料利用到紫羅精和biTEMPO多肽的合成中；
（2）通過4-羥基TEMPO的兩個降解產物DS-5和DS-6的分離、中和和氧化，可以回收4-OH-TEMPO自由基，然后將其送入biTEMPO多肽的合成途徑中；
（3）紫羅精多肽側鏈的降解產物DS-3可以與聚（1-谷氨酸）結合以再生紫羅精多肽。
通過將可降解多肽骨架與氧化還原活性部分的儲能特性相結合，這種生物激發多肽電池解決了傳統鋰離子電池的一些挑戰(例如，稀缺資源的使用、安全問題和高成本的回收)。
展望未來
1、主要挑戰是防止活性物質的溶解和提高整體電池容量。
2、未來的研究應集中于通過交聯、后處理修飾或利用多肽在流動電池中的溶解性來防止多肽的溶解。
參考文獻
Nguyen, T.P., Easley, A.D., Kang, N. et al. Polypeptide organic radical batteries. Nature 593, 61–66 (2021).
DOI:10.1038/s41586-021-03399-1
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03399-1
