日本团队开发出完全固态的可充电空气电池

 金属通常用作电池负极的活性材料。最近，氧化还原活性有机分子，如醌基和胺基分子，已被用作具有氧还原正极的可充电金属-空气电池的负极，其中质子和氢氧根离子参与氧化还原反应。这种电池表现出超高性能，可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克服了与金属相关的问题，包括形成“树突”，不仅会影响电池性能，还对环境产生负面影响。然而，这些电池使用的是液体电解质（就像金属电池一样），会带来主要的安全问题，如高电阻、浸出效应和易燃性。

据外媒报道，由早稻田大学（Waseda University）和山梨大学（University of Yamanashi,）的Kenji Miyatake教授领导的日本研究人员开发出一种全固态可充电空气电池（SSAB），并研究了其容量和耐用性。

图片来源：早稻田大学

相关研究已发表于期刊《Angewandte Chemie International Edition》，合著者为早稻田大学的Kenichi Oyaizu教授。

由于在酸性条件下具有稳定且可逆的氧化还原反应，研究人员选择了一种名为2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone（DHBQ）的化学物质及其聚合物poly（2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-methylene）（PDBM）作为负极活性材料。此外，他们使用一种称为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。

Miyatake表示：“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。”

SSAB制成后，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，该SSAB在存在水和氧气的情况下不会劣化。

此外，用其聚合物对应物PDBM代替氧化还原活性分子DHBQ可形成更好的负极。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。

研究人员还发现，SSAB-PDBM在4 C倍率下的库仑效率为84%，在101°C倍率下逐渐下降至66%。虽然SSAB-PDBM的放电容量在30个循环后下降到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著提高到78%。电子显微镜图像证实，添加Nafion可提高PDBM基电极的性能和耐久性。

本研究证明了SSAB的成功运行，该SSAB包含作为负极的氧化还原活性有机分子、作为固体电解质的质子导电聚合物和氧还原扩散型正极。研究人员希望该电池可以未来技术奠定基础。