日本團隊開發出完全固態的可充電空氣電池

 金屬通常用作電池負極的活性材料。最近，氧化還原活性有機分子，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-空氣電池的負極，其中質子和氫氧根離子參與氧化還原反應。這種電池表現出超高性能，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分子克服了與金屬相關的問題，包括形成“樹突”，不僅會影響電池性能，還對環境產生負面影響。然而，這些電池使用的是液體電解質（就像金屬電池一樣），會帶來主要的安全問題，如高電阻、浸出效應和易燃性。

據外媒報道，由早稻田大學（Waseda University）和山梨大學（University of Yamanashi,）的Kenji Miyatake教授領導的日本研究人員開發出一種全固態可充電空氣電池（SSAB），并研究了其容量和耐用性。

圖片來源：早稻田大學

相關研究已發表于期刊《Angewandte Chemie International Edition》，合著者為早稻田大學的Kenichi Oyaizu教授。

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

Miyatake表示：“據我所知，目前還沒有開發出基于有機電極和固體聚合物電解質的空氣電池。”

SSAB制成后，研究人員通過實驗評估了其充放電性能、倍率特性和循環性能。 他們發現，與使用金屬負極和有機液體電解質的典型空氣電池不同，該SSAB在存在水和氧氣的情況下不會劣化。

此外，用其聚合物對應物PDBM代替氧化還原活性分子DHBQ可形成更好的負極。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的相應值為176.1 mAh。

研究人員還發現，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個循環后下降到44%，但通過增加負極的質子導電聚合物含量，研究人員可以將其顯著提高到78%。電子顯微鏡圖像證實，添加Nafion可提高PDBM基電極的性能和耐久性。

本研究證明了SSAB的成功運行，該SSAB包含作為負極的氧化還原活性有機分子、作為固體電解質的質子導電聚合物和氧還原擴散型正極。研究人員希望該電池可以未來技術奠定基礎。