日本科学家开发出新型全固态可充电空气电池

日本研究人员开发了一种全固态可充电空气电池（SSAB），使用氧化还原活性有机分子作为负极，使用质子导电聚合物作为固体电解质，展示了改进的性能和耐用性。这种创新方法对于延长电子产品的电池寿命和迈向无碳社会具有潜在影响。

在这款首创的电池中，苯醌基负极与固体 Nafion 聚合物电解质一起使用。

金属传统上用作电池负极的活性材料。然而，人们已经开始转向使用氧化还原活性有机分子（如醌基和胺基化合物）作为可充电金属空气电池的负极，该电池的特点是氧还原正极。

在这里，质子和氢氧根离子参与氧化还原反应。这种电池表现出高性能，接近理论上可能的最大容量。此外，在可充电空气电池中使用氧化还原活性有机分子可以克服与金属相关的问题，包括形成称为“枝晶”的结构，这种结构会影响电池性能并对环境产生负面影响。

研究人员开发出一种全固态可充电空气电池，采用二羟基苯醌基有机负极和Nafion聚合物电解质。图片来源：早稻田大学 Kenji Miyatake

然而，这些电池使用液体电解质——就像金属电池一样——这会带来重大的安全问题，如高电阻、浸出效应和可燃性。

现在，在《Angewandte Chemie 国际版》最近发表的一项新研究中，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），并研究了其容量和耐用性。该研究由早稻田大学和山梨大学的 Kenji Miyatake 教授领导，早稻田大学的 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）作为活性材料负极由于其在酸性条件下稳定且可逆的氧化还原反应。此外，他们利用一种名为 Nafion 的质子导电聚合物作为固体电解质，从而取代了传统的液体电解质。“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，”宫武说。

SSAB就位后，研究人员通过实验评估了其充放电性能、倍率特性和循环性能。他们发现，与使用金属负极和有机液体电解质的典型空气电池不同，SSAB 在水和氧气存在的情况下不会恶化。此外，用其聚合物对应物 PDBM 代替氧化还原活性分子 DHBQ 形成了更好的负极。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。

该电池采用聚合二羟基苯醌基负极和Nafion基固体电解质，具有高库仑效率和放电容量。图片来源：早稻田大学 Kenji Miyatake

研究人员还发现，SSAB-PDBM的库仑效率在4 C倍率下为84%，在101 C倍率下逐渐下降至66%。虽然SSAB-PDBM的放电容量在30次循环后降低至44%，但通过增加负极的质子导电聚合物含量，研究人员可以将其显着提高至78%。电子显微镜图像证实，Nafion 的添加提高了 PDBM 电极的性能和耐用性。

这项研究证明了 SSAB 的成功运行，该 SSAB 包含氧化还原活性有机分子作为负极、质子导电聚合物作为固体电解质以及氧还原扩散型正极。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产品的电池寿命，并最终为实现无碳社会做出贡献，”宫武总结道。