人类社会的发展史就是一部能源史，从钻木取火到燃油、电力，每一步的跨越都是一场革命。地球的资源终有末路，只是时间长短的问题而已，新能源或者说可持续能源的热门，表面上看是人类自我觉醒的危机意识使然，但根本原因是资源的供给链出现了裂痕。如今，以锂电池为代表的能源新生代们正一步一步实现着改变人类能源供给的梦想，但，我们终究忽视了一个问题，这些电池材料的核心元素——金属，依旧是稀缺资源。因此，真正意义上的可持续应该是遵循材料供应持续、高效的“循环经济”。
具有氧化还原特性的有机材料，有望实现无金属、高倍率的环境友好型二次电池。虽然学术界对具有氧化还原活性的可降解聚合物和全聚合物电池两个方向都有探索，但同时具备两种模式各自优点的电池材料尚未实现。近日，来自德州农工大学的研究人员创造性的将可降解的多肽作为主链，将具有氧化还原活性的基团作为侧链，制备了多肽有机自由基全电池；该全电池在酸性条件下可按需降解，生成氨基酸、组成侧链的分子和降解产物，这项研究向可持续、可回收电池和减少全球对战略金属的依赖迈出了坚实的一步。
早在2019年的ACS秋季年会期间，这项成果的研究者曾指出“由于回收成本高，废弃锂离子电池在垃圾场堆积，会对环境造成危害。目前，还没有安全的方法来处理它们。开发一种可降解和再利用的蛋白质基或有机电池将会改变这种情况，尽管这距离实现商业化还有很长的路要走。这种蛋白质基电池未来可能会替代传统的锂离子电池，其结构的灵活性和多样性有望实现环境友好和可持续的能源存储” 。
时隔两年，该工作以“Polypeptide organic radical batteries”为题发表在Nature期刊上，一经发表，这项研究就受到了极大关注，其Altmetrics指标已经突破400！
Altmetrics指数
这项研究合成了两种具有不同侧链的多肽材料（biTEMPO正极和viol-Cl负极）。在充电过程中，biTEMPO多肽结构中的N-O·失去电子变为+N=O并与电解液的阴离子相结合，对应高电位3.67 V（vs. Li/Li+）处的一对氧化还原峰；而viol-Cl则具有Viol+•/Viol0和Viol2+/Viol+•两对氧化还原峰，分别位于2.13 V和2.56 V，并释放电解液阴离子。放电过程与之相反。因此，两种多肽链组成的全电池类型为“阴离子摇椅电池”。
多肽自由基电池充放电机理图 @Nature
viol-Cl多肽半电池在1C下可释放74.2 mAh g−1的容量（理论容量118.3 mAh g−1），30圈循环后可保持91%的容量。biTEMPO多肽半电池1C下的充电容量为16.5 mAh g−1，，30次循环后容量保持率为70%。容量衰减的主要原因是多肽溶于电解液，这可以通过浸泡隔膜的溶液的循环伏安曲线得以佐证。
多肽全电池表现为两对氧化还原峰，分别位于1.3 V和1.6 V，与正负极的氧化还原电位差相一致。全电池可释放37.8 mAh g−1的容量，经250次循环后容量下降到7.5 mAh g−1。由于viol-Cl和biTEMPO多肽电极会溶解，因此全电池循环的库仑效率小于100%，但其循环后的容量仍大于对照组(无多肽的全电池)，所高出的容量贡献源于未溶解的活性多肽。
多肽半电池和全电池的电化学性能。（a-c）viol-Cl多肽半电池，（d-f）biTEMPO多肽半电池，（g-i）多肽全电池。@Nature
viol-Cl和biTEMPO多肽的主链和侧链连接方式分别为酰胺键和酯键，这两种键在酶、碱性或者酸性条件下易降解。温度为80°C时，多肽侧链在1 M或6 M盐酸中部分分解，温度达到110°C时，主链和侧链完全降解。同时在110°C，1M盐酸中，研究多肽主链模型化合物PBLG50和小分子（viol和biTEMPO）类似物的降解过程，用于指导氧化还原活性多肽主链和侧链降解产物的鉴定。研究中主要采用了高分辨电喷雾电离质谱（HR-ESI-MS）和1H NMR对分解产物进行识别，降解产物的分离则主要采用液相色谱实现。从而证明了多肽的按需降解。
当然，另一项至关重要的特性也必不可少，即生物毒性。研究显示，viol-I具有一定的细胞毒性，不过，其降解产物毒性降低。
viol-Cl和biTEMPO多肽的降解
在德州农工大学官网的报道中，作者团队指出：“将组成蛋白质的多肽作为电池材料，不仅避免了对金属的开采，而且可为可穿戴或可植入电子设备提供电力，是一种易于回收的新型电池；多肽电池是可降解、可回收、无毒且更安全的电池”。
无金属、可回收的多肽电池。@Texas A&M Engineering
该研究团队受Nature编辑的邀请撰写了关于这项成果的研究背景介绍，据悉，这项研究构想始于2015年9月，整个研究历程耗时5年左右。其中电极材料于18年末才实现，耗时2年；19年，研究了电化学性能，所用的电解液为含锂盐的电解液，在当时ACS的秋季年会中，团队成员对可降解多肽电池做了简短介绍，随后对各部分降解产物进行了研究；20年5月投稿，论文审稿过程发现可以改变电解液来实现无金属电池，于是用TBACF3SO3代替锂盐作为电解液溶质；21年5月，在线发表在Nature杂志。研究团队对这一研究方向的未来发展做了如下阐述：
多肽电池研发时间表 @Nature
Tan P. Nguyen（左） 和Alexandra D. Easley（右）
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03399-1
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