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摘要：研究小组通过结合可逆地吸收氢离子（质子）的同时进行氧化还原反应的有机化合物与质子导电聚合物薄膜，开发了一种可反复充放电的“全固态空气二次电池”，在恒定的发电速率（放电速率为15C）的实验中，可反复充放电30个循环。

关键词：全固态电池、空气电池、Nafion膜、二羟基苯醌、质子膜

可反复充放电的全固态空气二次电池

——结合聚合物电解质膜和具有氧化还原活性的有机化合物

要点

•通过结合可逆地吸收氢离子（质子）的有机化合物和质子导电聚合物薄膜，研究人员开发了一种可反复充放电的全固态空气二次电池。

•研究证实，该电池可以在恒定的发电速率（放电速率为15C）下反复充放电30次循环。

•由于该电池体积小、重量轻，没有漏液或起火的风险，并且即使弯曲也能使用，因此有望应用于移动设备。

研究小组通过结合可逆地吸收氢离子（质子）的同时进行氧化还原反应的有机化合物与质子导电聚合物薄膜，开发了一种可反复充放电的“全固态空气二次电池”。

空气电池^※1是一种由空气中的氧气（正极活性物质）和金属（负极活性物质）、离子导电电解质组成的电池，但由于很多情况下使用液态电解质，因此存在漏液、蒸发和起火等安全问题。此外，负极活性物质因氧气和水分而劣化也是一个问题。

本研究通过使用质子导电聚合物薄膜^※2作为电解质，以及使用具有氧化还原活性的有机化合物作为负极活性物质，成功地开发了一种便携性和安全性优异、可反复充放电的全固态空气二次电池。

研究证实，在恒定的发电速率（放电速率为15C）的实验中，该电池可反复充放电30个循环。未来，通过提高构成材料的性能、优化和耐用性等，有望用作移动设备（例如手机和小型电子设备）的电源。

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以往的研究成果

可反复充放电的二次电池被应用于移动设备、电动汽车等各种领域，为了减小尺寸和重量、增加容量和降低成本，全球各国正在积极开展相关研究。特别是使用空气中的氧气作为正极活性物质的空气二次电池，由于与其他二次电池相比具有显著提高的理论能量密度，因此备受瞩目。

以往的空气二次电池主要使用锂等金属作为负极活性物质，使用非水系有机电解质溶液作为电解质，但存在负极活性物质劣化和电解液泄漏等诸多问题。研究人员还提出了使用固态电解质的全固态空气电池，但负极的问题仍未解决。

最近，有报道开发了几种使用具有氧化还原活性的有机化合物作为负极活性物质的空气二次电池（Li etal.,Chem,5,2159-2170,2019:Oyaizu etal.,Chem.Commun.,56,4055-4058,2020），但目前还未存在结合了聚合物电解质膜的全固态空气二次电池。

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本研究的新尝试和阐明的内容

研究小组挑战由使用有机化合物的电极和固态电解质组成的空气二次电池，并研究将吸收质子的同时具有氧化还原活性的有机氧化还原化合物（二羟基苯醌^※3及其聚合物）作为负极活性物质，将质子导电聚合物薄膜(Nafion)作为电解质，以及将含铂催化剂的气体扩散电极（活性物质为氧气）作为正极的全固态空气二次电池的潜力，研究结果成功地证明了原理。

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新开发的方法

为了促进作为负极活性物质的二羟基苯醌的氧化还原反应，并顺利推进与电解质膜界面的质子移动，研究小组设计并构建了混合了导电材料（碳粉）和质子导电聚合物（Nafion）的负极结构。通过电流电位测量确认了在负极的反应及其可逆性，并评估了充放电、倍率特性和循环特性。研究还发现，将二羟基苯醌聚合后，负极活性物质的利用率提高了40%以上，全固态空气二次电池的容量也提高了6倍以上。

本研究开发的“全固态空气二次电池”可反复充放电，在恒定的发电速率（放电速率为15C）下，可充放电30个循环。

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研究的波及效果和社会影响

虽然锂离子二次电池的性能和耐用性在日益提高，但锂资源有限，并且使用液态电解质存在难以从本质上解决的问题，例如漏液、蒸发和起火等。本研究开发的全固态空气二次电池使用安全的有机氧化还原化合物和质子导电聚合物薄膜，这些物质在本来就含有水的状态下使用，电极不会因水分或氧气而劣化，非常安全。同时，该电池还存在利用聚合物化合物的特性，将其制成柔性器件的潜力。未来，通过提高构成材料的性能、优化和耐用性等，有望用作移动设备（例如手机和小型电子设备）的电源。

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未来课题

研究小组希望通过使用氧化还原电位更低（负）的有机氧化还原化合物，提高电池电压，稳定负极中的活性物质并提高倍率特性和循环特性，进一步提高二次电池的特性。

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研究员评论

虽然空气二次电池作为集二次电池和燃料电池的优势于一身的下一代能源设备而备受期待，但由于涉及性能和安全等诸多技术问题，因此实际使用的例子有限。通过本研究，研究小组成功开发了一种由有机负极活性物质和聚合物电解质组成的全固态空气二次电池，并显示了兼具小型轻量、高容量和高安全性的新型空气二次电池的潜力。另一方面，这项研究成果还处于原理验证阶段，在电池电压、倍率特性和循环特性等方面仍有改进空间，因此未来将继续追求全固态空气二次电池的实际应用。

用语解说

※1空气电池

一种使用空气中的氧气作为正极活性物质的电池。在许多情况下，负极使用金属。由于不需要在电池内部加入正极活性物质，因此理论上具有高能量密度的特征。

※2质子导电聚合物薄膜

一种由含有磺酸基等酸性基团的聚合物制成的薄膜。用作燃料电池等电化学装置的固态电解质。

※3二羟基苯醌

一种两个羟基被取代的苯醌。在酸性条件下表现出氧化还原活性。

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可反复充放电的全固态空气二次电池

基于原位中子反射技术分析燃料电池用离子导电聚合物的水分布结构