Как отмечают западные эксперты, воздушно-цинковые аккумуляторы (ZAB) становятся привлекательной альтернативой в глобальной гонке за лучшим хранением энергии. Они работают за счет поглощения кислорода из воздуха и его взаимодействия с металлическим цинком для получения электроэнергии. Это делает их легче, безопаснее и потенциально намного дешевле, чем обычные литий-ионные аккумуляторы, которые работают на основе дефицитных материалов.
По сравнению с литий-ионными системами, воздушно-цинковые аккумуляторы обладают более высокой теоретической плотностью энергии и представляют меньший риск перегрева или возгорания. Но их потенциал долгое время был ограничен медленной реакцией восстановления кислорода (ORR), важнейшим процессом, при котором молекулы кислорода преобразуются во время разряда. Медленная реакция ORR приводит к неэффективности и сокращению срока службы батареи.
Чтобы устранить это узкое место, исследователи из японского Университета Тохоку разработали двухатомный катализатор, который может изменить ситуацию и обеспечивает значительный скачок производительности. Под руководством Ди Чжана из Института перспективных исследований материалов (WPI-AIMR) команда разработала новый двухатомный катализатор, соединив атомы железа (Fe) и кобальта (Co). Они были встроены в пористую структуру на основе азота и углерода, образуя материал под названием Fe₁Co₁-N-C.
Используя компьютерное моделирование, исследователи изучили, как уровень pH влияет на ORR. Это помогло им разработать катализатор с оптимальными свойствами для работы в щелочных батареях. Затем они создали структуру, используя матричный метод и совместную активацию, в результате которой образовались небольшие поры, необходимые для эффективной транспортировки реагентов. В результате был получен катализатор, который не только обеспечивал более быстрый ORR, но и превосходил по своим характеристикам обычный платиновый катализатор, известный как Pt/C.
Двухатомный катализатор Fe₁Co₁-N-C продемонстрировал значительно лучшую ORR-активность. В ходе лабораторных испытаний воздушно-цинковые аккумуляторы, использующие новый катализатор, достигли напряжения холостого хода в 1,51 вольта, что, по мнению исследователей японского Университета Тохоку, является убедительным показателем энергетического потенциала. Такие аккумуляторы также достигли плотности энергии в 1079 ватт-часов на килограмм цинка, что значительно превышает типичные показатели, наблюдаемые в аналогичных аккумуляторных системах. Аккумуляторы сохраняли отличное быстродействие, несмотря на высокие требования к току — от 2 до 600 миллиампер. При этом впечатляющим был срок службы: более 3600 часов и 7200 циклов при умеренном токе. Это намного превышает возможности большинства аккумуляторов текущего поколения.
“Эта работа представляет собой эффективную и рациональную стратегию разработки и синтеза катализаторов, которые могут быть использованы в реальных приложениях, — сказал Ди Чжан. — Объединив теоретические модели с практическими методами синтеза, мы смогли разработать катализатор, который способен значительно улучшить характеристики воздушно-цинковых аккумуляторов”.
По убеждению ученых японского Университета Тохоку, успех этого двухатомного катализатора указывает на реальный путь к созданию более дешевых, долговечных и эффективных воздушно-цинковых аккумуляторов. Поскольку железо и кобальт гораздо более доступны, чем платина, масштабное производство также может стать более рентабельным.
В ближайшее время команда Ди Чжана планирует повысить точность сопряжения атомов в будущих катализаторах. Они также намерены разработать более совершенные методы для определения конкретных активных центров в катализаторе, которые управляют ORR. Расширяя возможности разработки двухатомных катализаторов, исследователи надеются еще больше усовершенствовать технологии преобразования энергии, которые могут привести в действие электромобили будущего и системы возобновляемой энергетики.
Исследование опубликовано в журнале Energy & Environmental Science.
