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摘要：利用植物基生物质碳，成功开发出一种具有高耐久性与高能量密度的全有机电池，基于一种名为“分子兼容微孔设计”的新型材料设计指南，即设计与分子尺寸相匹配的微孔，成功验证了接近实用水平的软包电池的运行情况：即使3000次充放电后，其容量衰减也仅为0.25%。

关键词：全有机电池、生物质碳、微孔、软包电池、高耐久性

要点

利用植物基生物质碳，成功开发出一种具有高耐久性与高能量密度的全有机电池
成功验证了接近实用水平的软包电池的运行情况：即使3000次充放电后，其容量衰减也仅为0.25%，实现了高耐久性
提出一种用于开发无金属电池的新材料设计指南，有望摆脱对资源型技术的依赖，并加速环境友好型设备的开发。

概要

全有机电池的性能不仅取决于材料本身的特性，很大程度上还取决于有机分子与碳材料之间的相容性。

研究小组通过精确调节植物基生物质碳的微孔尺寸以匹配有机分子的尺寸，成功实现了水系全有机电池更高的性能和更长的寿命。

本研究着眼于醌类有机分子与碳材料之间的相互作用，提出一种名为“分子兼容微孔设计”的新型材料设计指南，即设计与分子尺寸相匹配的微孔。通过比较多种植物基生物质碳，研究小组发现，即使原料相同，微孔结构也可能不同，而“与有机分子尺寸相匹配”的微孔体积是提升电池性能的关键。这表明，比起原料的种类，能否可重复地形成与分子尺寸相匹配的微孔，才是决定电池性能的关键因素。

采用基于该设计指南制备的碳材料的大面积软包电池，在3000次充放电后仍能保持99.75%的容量，并且多节电池串联的模块运行也得到了证实。此外，利用3GeV高亮度辐射光设施Nano Terasu进行的电子密度相关分析，详细可视化了微观结构与电池特性之间的关系，阐明了分子与孔隙结构的匹配性影响性能的机制。

研究背景

虽然目前广泛使用的锂电池具有很高的能量密度，但其严重依赖锂、钴、镍等矿产资源。这些资源的开采因其对生态系统造成的影响（例如森林砍伐、水资源枯竭和土壤污染）而备受诟病，其可持续性也受到质疑。

在此背景下，利用擅长电子转移的特殊有机分子的全有机电池，作为一种可以显著减少对金属资源依赖的下一代储能技术备受关注。将其与不可燃的水系电解液相结合，有望提高安全性和环境相容性。

然而，全有机电池面临着诸多挑战，例如许多有机分子在水中的溶解度较高，在充放电过程中会溶入电解液中，导致容量快速下降；电极内部电子/离子传输不足以及分子聚集，导致活性物质利用率难以达到100%。解决这些问题，对于摆脱依赖矿产资源的传统材料与能源技术，实现旨在可持续资源循环的新技术至关重要。

本研究内容

研究小组通过控制植物基活性炭（多孔碳）的孔径，将有机分子引入并限制在合适尺寸的孔隙内，成功抑制了充放电过程中分子的溶出（图1）。此外，通过控制有机分子的分散状态及界面电子结构，提出了一种提高活性物质利用率的新材料设计策略。该策略并非简单的经验改进，而是基于对分子限域效应所带来的电子态变化以及反应场形成的理解，最终成功验证了实用形态——软包电池的运行。在全有机电池的相关研究中，报道接近实用水平的软包电池的案例非常有限。

图1. 本研究的概要图

研究发现，本研究所制备的全有机软包电池（图2左）表现出极高的性能，在厚膜电极上单位面积活性材料含量约为28mg cm⁻²的条件下，能量密度约为1mWh cm⁻²。此外，在评估能否承受实际负载的反复充放电测试中，3000次循环后的容量保持率为99.75%，衰减率仅为0.25%，证实了其具有很高的耐久性（图2右）。

图2. 所制备的软包电池及3000次充放电特性评估结果

研究还证实，由9个软包电池串联的模块可输出约5V的显示电压。使用该模块对智能手机和平板电脑进行充电的演示表明，在实际负载条件下也能正常运行，能够向外部设备供电（图3）。

图3. 串联软包电池的放电验证。以约5V的电压可为平板电脑充电。

未来展望

本成果为从资源依赖型储能技术向可与生态系统共存的材料循环型能源技术的转变提供了重要见解。水系全有机电池不仅环境影响小，还具有即使在低电压下也能充电的特点，甚至可以直接用微生物燃料电池等发电电压较低的电源进行充电。这些特性为区域分布式能源系统和微电网的应用奠定了重要基础。

研究小组未来将致力于利用区域资源的安全能源技术的实用化，同时加速开发轻量、安全且可回收的下一代电池，为实现可持续发展社会做出贡献。研究人员表示，将此项技术与有机分子浸渍技术相结合，有望进一步提升全有机电池的性能。

此外，本成果不仅限于特定的分子，还有望应用于各种分子电极、分子催化剂与碳材料的组合，通过系统性研究，有望获得面向碳材料应用的多元化知识。

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20260421_02web2_biomass.pdf

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2026/ta/d5ta10161a

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利用生物质碳材料开发高耐久性全有机电池——大面积软包电池模块