金属（如钾、钠、锂等）空气电池是一种极具发展潜力的高比容量电池技术，其理论能量密度上限可达11000 Wh/kg，远远高于传统的锂离子电池，因此得到了学术界和工业界广泛关注。然而，由于存在金属枝晶、空气电极孔道堵塞等问题，导致该类电池安全性和循环寿命不佳，限制了该类电池的实际应用。香港中文大学Yi-Chun Lu教授研究团队创造性地设计制备了钾联苯（Potassium Biphenyl）复合有机物，并将其作为负极取代传统的金属负极，与空气电极组成新型的有机-空气电池，有效地解决了传统金属电池安全性和循环周期短的问题，在4 mA/cm2高放电电流密度下实现长达3000余次的稳定循环，平均库伦效率高达99.84%，为空气电池开辟全新技术发展路径。由于金属空气电池最主要的不稳定因素在于金属负极，因此关键在于研发替代电极，但作为负极要求材料本身具有良好的氧化还原特性。有鉴于此，研究人员测试了一系列的有机材料氧化还原特性，包括联苯（Bp）、萘（Nap）、三亚苯（Tph）和菲（Pha）。结果显示Bp对钾金属（K/K+）具有最佳的氧化还原特性，因此设计制备了钾联苯（Potassium Biphenyl, BpK）复合有机物。随后分别以传统K金属、BpK为负极，以溶有六氟磷酸钾的二甲基亚砜（KPF6-DMSO）为电解质，空气极为正极组装成完整的金属-空气（K-O2）、有机-空气（BpK-O2）电池，进行对比研究。在1.5-3 V的电压区间、0.2 mA/cm2放电电流密度下进行恒电流循环测试，结果显示，K-O2电池经过100次循环后便失效了，而BpK-O2电池经过400次循环后放电比容量依旧稳定无衰减。而提升放电电流密度到2 mA/cm2，BpK-O2电池依旧保持稳定循环特性，且库伦效率近100%；而当电流密度进一步提升到4 mA/cm2时，电池仍可稳定循环3000余次，且平均库伦效率依旧高达99.84%，这一结果与已报道的锂离子电池的库伦效率相当，展现出了极其优异高倍率性能和循环稳定性。通过对充放电过程产物测试发现电池性能大幅提升原因在于，一方面独特的有机负极和电解质界面耦合使得放电中间产物只形成KO2而没有形成K金属枝晶，另一方面这种界面作用在充电过程中会将中间产物KO2有效分解避免了电极活性材料损失。该项研究开创性地制备了钾联苯有机复合物电极，用于取代传统的金属负极，制备了全新的有机-空气电池，克服了金属-空气电池由来已久的金属电极枝晶生长和循环寿命短的问题，从而获得了高安全、高倍率和长寿命的空气电池，为空气电池发展开辟了全新的技术路径。相关研究成果发表在《Nature Materials》。
