傳統(tǒng)上，金屬是電池負極的活性材料。然而，在可充電金屬空氣電池中，人們開始轉向使用具有氧化還原活性的有機分子（如醌基和胺基化合物）作為負極，這種電池的正極具有氧氣還原功能。在這種電池中，質子和氫氧根離子參與氧化還原反應。這種電池表現出很高的性能，接近理論上可能達到的最大容量。
此外，在可充電空氣電池中使用氧化還原活性有機分子克服了與金屬有關的問題，包括形成被稱為"樹枝狀"的結構，這種結構會影響電池性能，并對環(huán)境造成負面影響。
研究人員利用基于二羥基苯醌的有機負極和 Nafion 聚合物電解質開發(fā)出一種全固態(tài)可充電空氣電池。圖片來源：早稻田大學 Kenji Miyatake
然而，這些電池使用的液態(tài)電解質與金屬基電池一樣，會帶來高電阻、浸出效應和易燃性等重大安全隱患。
現在，在最近發(fā)表于《Angewandte Chemie International Edition》的一項新研究中，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），并對其容量和耐用性進行了研究。這項研究由早稻田大學和山梨大學的宮武健治（Kenji Miyatake）教授領導，早稻田大學的小柳津研一（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）的化學物質及其聚合物聚（2,5-二羥基-1,4-苯醌-3,6-亞甲基）（PDBM）作為負極的活性材料，因為它們在酸性條件下可進行穩(wěn)定和可逆的氧化還原反應。此外，他們還利用一種名為 Nafion 的質子傳導聚合物作為固態(tài)電解質，從而取代了傳統(tǒng)的液態(tài)電解質。"據我所知，目前還沒有開發(fā)出基于有機電極和固體聚合物電解質的空氣電池，"Miyatake 說。
在 SSAB 就位后，研究人員對其充放電性能、速率特性和循環(huán)性進行了實驗評估。他們發(fā)現，與使用金屬負極和有機液態(tài)電解質的典型空氣電池不同，SSAB 在有水和氧氣存在的情況下不會變質。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。
這種電池采用基于二羥基苯醌的聚合物負極和基于 Nafion 的固體電解質，具有很高的庫侖效率和放電容量。
研究人員還發(fā)現，SSAB-PDBM 的庫侖效率在 4 C 時為 84%，在 101 C 時逐漸下降到 66%。雖然 SSAB-PDBM 的放電容量在 30 個循環(huán)后降低到 44%，但通過增加負極中質子傳導聚合物的含量，研究人員可以將其顯著提高到 78%。電子顯微鏡圖像證實，添加 Nafion 提高了基于 PDBM 的電極的性能和耐用性。
這項研究展示了由氧化還原活性有機分子作為負極、質子傳導聚合物作為固態(tài)電解質以及氧還原擴散型正極組成的 SSAB 的成功運行。研究人員希望，這將為進一步的進步鋪平道路。這項技術可以延長智能手機等小型電子設備的電池壽命，最終為實現無碳社會做出貢獻。