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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，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極。在這里，質子和氫氧根離子參與氧化還原反應。這種電池表現出高性能，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分子可以克服與金屬相關的問題，包括形成稱為“枝晶”的結構，這種結構會影響電池性能并對環境產生負面影響。然而，這些電池使用液體電解質——就像金屬電池一樣——這會帶來重大的安全問題，如高電阻、浸出效應和可燃性。

現在，在《AngewandteChemie國際版》最近發表的一項研究中，一組研究人員開發出了一種全固態可充電空氣電池(SSAB)，并研究了其容量和耐用性。該研究由早稻田大學和山梨大學的KenjiMiyatake教授領導，早稻田大學的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)作為活性材料負極由于其在酸性條件下穩定且可逆的氧化還原反應。此外，他們利用一種名為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。

研究人員開發出一種全固態可充電空氣電池，采用二羥基苯醌基有機負極和Nafion聚合物電解質。圖片來源：早稻田大學KenjiMiyatake

“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，”宮武說。

SSAB就位后，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，SSAB在水和氧氣存在的情況下不會惡化。

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

研究人員還發現，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次循環后下降至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至78%。電子顯微鏡圖像證實，Nafion的添加提高了PDBM電極的性能和耐用性。

這項研究證明了SSAB的成功運行，該SSAB包含氧化還原活性有機分子作為負極、質子導電聚合物作為固體電解質以及氧還原擴散型正極。研究人員希望這將為進一步的進步鋪平道路。宮武總結道：“這項技術可以延長智能手機等小型電子產品的電池壽命，并最終為實現無碳社會做出貢獻。”