日本科学家开发出新型完全固态可充电空气电池

传统上，金属是电池负极的活性材料。然而，在可充电金属空气电池中，人们开始转向使用具有氧化还原活性的有机分子（如醌基和胺基化合物）作为负极，这种电池的正极具有氧气还原功能。在这种电池中，质子和氢氧根离子参与氧化还原反应。这种电池表现出很高的性能，接近理论上可能达到的最大容量。

此外，在可充电空气电池中使用氧化还原活性有机分子克服了与金属有关的问题，包括形成被称为"树枝状"的结构，这种结构会影响电池性能，并对环境造成负面影响。

研究人员利用基于二羟基苯醌的有机负极和 Nafion 聚合物电解质开发出一种全固态可充电空气电池。图片来源：早稻田大学 Kenji Miyatake

然而，这些电池使用的液态电解质与金属基电池一样，会带来高电阻、浸出效应和易燃性等重大安全隐患。

现在，在最近发表于《Angewandte Chemie International Edition》的一项新研究中，一组日本研究人员开发出了一种全固态可充电空气电池（SSAB），并对其容量和耐用性进行了研究。这项研究由早稻田大学和山梨大学的宮武健治（Kenji Miyatake）教授领导，早稻田大学的小柳津研一（KenIChi Oyaizu）教授为共同作者。

研究人员选择了一种名为 2,5-二羟基-1,4-苯醌（DHBQ）的化学物质及其聚合物聚（2,5-二羟基-1,4-苯醌-3,6-亚甲基）（PDBM）作为负极的活性材料，因为它们在酸性条件下可进行稳定和可逆的氧化还原反应。此外，他们还利用一种名为 Nafion 的质子传导聚合物作为固态电解质，从而取代了传统的液态电解质。"据我所知，目前还没有开发出基于有机电极和固体聚合物电解质的空气电池，"Miyatake 说。

在 SSAB 就位后，研究人员对其充放电性能、速率特性和循环性进行了实验评估。他们发现，与使用金属负极和有机液态电解质的典型空气电池不同，SSAB 在有水和氧气存在的情况下不会变质。此外，用聚合物 PDBM 取代氧化还原活性分子 DHBQ 可以形成更好的负极。在 1 mAcm-2 的恒定电流密度下，SSAB-DHBQ 的每克放电容量为 29.7 mAh，而 SSAB-PDBM 的相应值为 176.1 mAh。

这种电池采用基于二羟基苯醌的聚合物负极和基于 Nafion 的固体电解质，具有很高的库仑效率和放电容量。

研究人员还发现，SSAB-PDBM 的库仑效率在 4 C 时为 84%，在 101 C 时逐渐下降到 66%。虽然 SSAB-PDBM 的放电容量在 30 个循环后降低到 44%，但通过增加负极中质子传导聚合物的含量，研究人员可以将其显著提高到 78%。电子显微镜图像证实，添加 Nafion 提高了基于 PDBM 的电极的性能和耐用性。

这项研究展示了由氧化还原活性有机分子作为负极、质子传导聚合物作为固态电解质以及氧还原扩散型正极组成的 SSAB 的成功运行。研究人员希望，这将为进一步的进步铺平道路。这项技术可以延长智能手机等小型电子设备的电池寿命，最终为实现无碳社会做出贡献。