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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，例如醌基和胺基分子，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。在這里，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)出高性能，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)分子可以克服與金屬相關(guān)的問題，包括形成稱為“枝晶”的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)影響電池性能并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。然而，這些電池使用液體電解質(zhì)——就像金屬電池一樣——這會(huì)帶來重大的安全問題，如高電阻、浸出效應(yīng)和可燃性。

現(xiàn)在，在《AngewandteChemie國際版》最近發(fā)表的一項(xiàng)研究中，一組研究人員開發(fā)出了一種全固態(tài)可充電空氣電池(SSAB)，并研究了其容量和耐用性。該研究由早稻田大學(xué)和山梨大學(xué)的KenjiMiyatake教授領(lǐng)導(dǎo)，早稻田大學(xué)的KenichiOyaizu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)作為活性材料負(fù)極由于其在酸性條件下穩(wěn)定且可逆的氧化還原反應(yīng)。此外，他們利用一種名為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)。

研究人員開發(fā)出一種全固態(tài)可充電空氣電池，采用二羥基苯醌基有機(jī)負(fù)極和Nafion聚合物電解質(zhì)。圖片來源：早稻田大學(xué)KenjiMiyatake

“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，”宮武說。

SSAB就位后，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，SSAB在水和氧氣存在的情況下不會(huì)惡化。

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

研究人員還發(fā)現(xiàn)，SSAB-PDBM的庫侖效率在4℃倍率下為84%，在101℃倍率下逐漸下降至66%。雖然SSAB-PDBM的放電容量在30次循環(huán)后下降至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至78%。電子顯微鏡圖像證實(shí)，Nafion的添加提高了PDBM電極的性能和耐用性。

這項(xiàng)研究證明了SSAB的成功運(yùn)行，該SSAB包含氧化還原活性有機(jī)分子作為負(fù)極、質(zhì)子導(dǎo)電聚合物作為固體電解質(zhì)以及氧還原擴(kuò)散型正極。研究人員希望這將為進(jìn)一步的進(jìn)步鋪平道路。宮武總結(jié)道：“這項(xiàng)技術(shù)可以延長智能手機(jī)等小型電子產(chǎn)品的電池壽命，并最終為實(shí)現(xiàn)無碳社會(huì)做出貢獻(xiàn)?！?/p>