傳統(tǒng)上，金屬是電池負(fù)極的活性材料。然而，在可充電金屬空氣電池中，人們開始轉(zhuǎn)向使用具有氧化還原活性的有機(jī)分子（如醌基和胺基化合物）作為負(fù)極，這種電池的正極具有氧氣還原功能。在這種電池中，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)出很高的性能，接近理論上可能達(dá)到的最大容量。
此外，在可充電空氣電池中使用氧化還原活性有機(jī)分子克服了與金屬有關(guān)的問題，包括形成被稱為"樹枝狀"的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)影響電池性能，并對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響。
研究人員利用基于二羥基苯醌的有機(jī)負(fù)極和 Nafion 聚合物電解質(zhì)開發(fā)出一種全固態(tài)可充電空氣電池。圖片來源：早稻田大學(xué) Kenji Miyatake
然而，這些電池使用的液態(tài)電解質(zhì)與金屬基電池一樣，會(huì)帶來高電阻、浸出效應(yīng)和易燃性等重大安全隱患。
現(xiàn)在，在最近發(fā)表于《Angewandte Chemie International Edition》的一項(xiàng)新研究中，一組日本研究人員開發(fā)出了一種全固態(tài)可充電空氣電池（SSAB），并對(duì)其容量和耐用性進(jìn)行了研究。這項(xiàng)研究由早稻田大學(xué)和山梨大學(xué)的宮武健治（Kenji Miyatake）教授領(lǐng)導(dǎo)，早稻田大學(xué)的小柳津研一（Kenichi Oyaizu）教授為共同作者。
研究人員選擇了一種名為 2,5-二羥基-1,4-苯醌（DHBQ）的化學(xué)物質(zhì)及其聚合物聚（2,5-二羥基-1,4-苯醌-3,6-亞甲基）（PDBM）作為負(fù)極的活性材料，因?yàn)樗鼈冊(cè)谒嵝詶l件下可進(jìn)行穩(wěn)定和可逆的氧化還原反應(yīng)。此外，他們還利用一種名為 Nafion 的質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物作為固態(tài)電解質(zhì)，從而取代了傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)。"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，"Miyatake 說。
在 SSAB 就位后，研究人員對(duì)其充放電性能、速率特性和循環(huán)性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估。他們發(fā)現(xiàn)，與使用金屬負(fù)極和有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)的典型空氣電池不同，SSAB 在有水和氧氣存在的情況下不會(huì)變質(zhì)。此外，用聚合物 PDBM 取代氧化還原活性分子 DHBQ 可以形成更好的負(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。
這種電池采用基于二羥基苯醌的聚合物負(fù)極和基于 Nafion 的固體電解質(zhì)，具有很高的庫侖效率和放電容量。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，SSAB-PDBM 的庫侖效率在 4 C 時(shí)為 84%，在 101 C 時(shí)逐漸下降到 66%。雖然 SSAB-PDBM 的放電容量在 30 個(gè)循環(huán)后降低到 44%，但通過增加負(fù)極中質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物的含量，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 提高了基于 PDBM 的電極的性能和耐用性。
這項(xiàng)研究展示了由氧化還原活性有機(jī)分子作為負(fù)極、質(zhì)子傳導(dǎo)聚合物作為固態(tài)電解質(zhì)以及氧還原擴(kuò)散型正極組成的 SSAB 的成功運(yùn)行。研究人員希望，這將為進(jìn)一步的進(jìn)步鋪平道路。這項(xiàng)技術(shù)可以延長(zhǎng)智能手機(jī)等小型電子設(shè)備的電池壽命，最終為實(shí)現(xiàn)無碳社會(huì)做出貢獻(xiàn)。