固態電池使用固體電極和固體電解質，不像更常見的鋰離子電池使用液體電解質。固態電池克服了與液基電池相關的各種挑戰，如易燃性、有限的電壓、不穩定的反應物以及較差的長期可循環性等。近期，早稻田大學和山梨大學合作開發出一種由氧化還原活性有機負極和質子導電聚合物電解質組成的全固態可充電空氣電池（SSAB）。
這種電池表現出高性能，接近理論上可能的最大容量。此外，在可再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，包括形成稱為「枝晶」的結構，這種結構會影響電池性能，並對環境產生負面影響。然而，這些電池使用液體電解質，就像金屬基電池一樣，這帶來了主要的安全問題，如高電阻、浸出效應和易燃性。
這項研究由早稻田大學和山梨大學的Kenji Miyatake教授領導。
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）作為活性材料用於負電極由於其在酸性條件下穩定和可逆的氧化還原反應。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。
全固態可充電空氣電池就位後，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，全固態可充電空氣電池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DHBQ代替氧化還原活性分子PDBM可形成更好的負極。
研究人員還發現，SSAB-PDBM的庫侖效率在4攝氏度時為84%，在101攝氏度時逐漸降至66%。雖然SSAB-PDBM的放電容量在30次循環後降至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的添加提高了基於PDBM的電極的性能和耐久性。
本研究證明了全固態可充電空氣電池的成功運行，該全固態可充電空氣電池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。研究人員希望它能為進一步的進步鋪平道路。
研究人員表示，這項技術可以延長智慧型手機等小型電子產品的電池壽命，並最終有助於實現無碳社會。
這項研究5月2日發表在《應用化學》國際期刊上。
DOI：10.1002/anie.202304366