水系电池因其以水为电解质的本征特性，具有安全性高、不易燃烧的优势。例如，汽车启动电源常用的铅酸电池和儿童玩具中为确保安全而采用的镍-氢电池均为水系电池，其工作原理均涉及质子的存储与传输。然而，这类电池存在储能密度较低的缺点。目前大规模储能领域广泛使用的锂电池虽采用低成本磷酸铁锂正极使储能密度显著提高，但因使用可燃性有机电解液，仍存在燃烧和爆炸风险。因此，开发兼具高能量密度、长循环寿命且安全的水系电池成为学术与产业界的重要研究方向。

传统水系电池依赖金属离子（如Zn²⁺）进行电荷存储，但金属离子半径大、质量重，限制了电池的能量密度。相比之下，质子（H⁺）作为自然界最轻的电荷载体（半径仅0.831 fm，比金属离子半径小近5个数量级，摩尔质量仅为1 g/mol），具有超高的扩散速率和理论容量优势。然而，质子化学行为的复杂性长期制约其实际应用。北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队围绕水系电池中氢键网络与质子化学问题开展系列研究，取得重要突破：提出质子借助短氢键快速传输机制（Nat. Commun., 2022, 13, 6666），揭示电极界面水和氢键网络的有序重排（Nature, 2021,600, 81–85），发展电解液氢键网络调控方法（Nano Energy, 2021, 80, 105478），实现锰基材料和钒基材料在水系电池中的质子和金属离子共嵌入（Nano-micro Lett., 2021, 13, 173），并开发多种基于质子Grotthuss传输的电极材料（Angew. Chem. Int. Ed., 2021,60, 4169–4174;Adv. Energy. Mater.,2023, 13, 2203915）。

近日，潘锋团队在水系电池中的质子存储与传输方面取得重要进展。研究团队系统梳理了水系电池发展历史，全面总结了电化学储能过程中质子动力学的研究成果，揭示了质子储存与传输规律，阐明了氢键网络及其质子协同转移模式的重要作用，为新一代水系电池开发奠定理论基础。相关成果以“Proton storage and transfer in aqueous batteries”为题发表于国际知名学术期刊Cell子刊《Matter》（doi/10.1016/j.matt.2025.102165）。

质子存储与传输行为与传统金属阳离子存在显著差异，其核心在于质子独特的成键方式：与Li-O和Na-O相比，H-O键共价性更强且具有饱和性，因此质子无法像金属离子那样与O离子形成连续稳固的晶体框架，而倾向于作为间隙离子附着于O离子上。此外，质子可通过氢键与其他电负性原子形成弱相互作用。这种灵活的氢键网络使质子具备Grotthuss传输特性——通过O-H···O氢键与O-H共价键的快速转换，实现质子超高速传输（又称“无扩散传输”），其能垒远低于需携溶剂化壳层穿越氢键网络的传统金属离子。

质子的成键、存储、传输方式与其他金属阳离子区别

团队总结了使用氢键网络工程优化电池各组件性能的三大路径：

1.电极设计：在固态电极材料中构建含水/无水氢键网络；

2.电解质优化策略，通过调控酸浓度与阴离子类型实现高稳定性质子传输；

3.电极/电解液界面调控：采用氧等离子体处理电极表面，引入羟基（-OH）和羧基（-COOH）构建“质子桥接通道”，显著降低界面电荷转移电阻，大幅提升反应动力学。

质子在电极/电解液界面传输特性

本研究首次从“质子存储-传输-界面”全链条视角阐明氢键网络在水系电池中的枢纽作用，为破解储能领域“高容量/快充特性与长寿命难以兼顾”的行业困境提供理论支撑。通过精准设计氢键拓扑网络，有望开辟媲美锂电池性能的新赛道，推动新一代质子水系储能设备的研发与应用。

北京大学深圳研究生院新材料学院教授潘锋及助理研究员李舜宁为本文通讯作者，助理研究员秦润之、博士生张明正为共同第一作者。本研究由国家自然科学基金、广东省重点实验室等项目资助。