金屬通常用作電池負(fù)極的活性材料。最近，氧化還原活性有機(jī)分子，如醌基和胺基分子，已被用作具有氧還原正極的可充電金屬-空氣電池的負(fù)極，其中質(zhì)子和氫氧根離子參與氧化還原反應(yīng)。這種電池表現(xiàn)出超高性能，可接近理論上可能的最大容量。

此外，在可充電空氣電池中使用氧化還原活性有機(jī)分子克服了與金屬相關(guān)的問題，包括形成“樹突”，不僅會(huì)影響電池性能，還對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。然而，這些電池使用的是液體電解質(zhì)（就像金屬電池一樣），會(huì)帶來主要的安全問題，如高電阻、浸出效應(yīng)和易燃性。

據(jù)外媒報(bào)道，由早稻田大學(xué)（Waseda University）和山梨大學(xué)（University of Yamanashi,）的Kenji Miyatake教授領(lǐng)導(dǎo)的日本研究人員開發(fā)出一種全固態(tài)可充電空氣電池（SSAB），并研究了其容量和耐用性。

圖片來源：早稻田大學(xué)

相關(guān)研究已發(fā)表于期刊《Angewandte Chemie International Edition》，合著者為早稻田大學(xué)的Kenichi Oyaizu教授。

由于在酸性條件下具有穩(wěn)定且可逆的氧化還原反應(yīng)，研究人員選擇了一種名為2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone（DHBQ）的化學(xué)物質(zhì)及其聚合物poly（2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-methylene）（PDBM）作為負(fù)極活性材料。此外，他們使用一種稱為Nafion的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物作為固體電解質(zhì)，從而取代了傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)。

Miyatake表示：“據(jù)我所知，目前還沒有開發(fā)出基于有機(jī)電極和固體聚合物電解質(zhì)的空氣電池?！?/p>

SSAB制成后，研究人員通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估了其充放電性能、倍率特性和循環(huán)性能。 他們發(fā)現(xiàn)，與使用金屬負(fù)極和有機(jī)液體電解質(zhì)的典型空氣電池不同，該SSAB在存在水和氧氣的情況下不會(huì)劣化。

此外，用其聚合物對(duì)應(yīng)物PDBM代替氧化還原活性分子DHBQ可形成更好的負(fù)極。在1 mAcm-2的恒定電流密度下，SSAB-DHBQ的每克放電容量為29.7 mAh，而SSAB-PDBM的相應(yīng)值為176.1 mAh。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，SSAB-PDBM在4 C倍率下的庫侖效率為84%，在101°C倍率下逐漸下降至66%。雖然SSAB-PDBM的放電容量在30個(gè)循環(huán)后下降到44%，但通過增加負(fù)極的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物含量，研究人員可以將其顯著提高到78%。電子顯微鏡圖像證實(shí)，添加Nafion可提高PDBM基電極的性能和耐久性。

本研究證明了SSAB的成功運(yùn)行，該SSAB包含作為負(fù)極的氧化還原活性有機(jī)分子、作為固體電解質(zhì)的質(zhì)子導(dǎo)電聚合物和氧還原擴(kuò)散型正極。研究人員希望該電池可以未來技術(shù)奠定基礎(chǔ)。