Цинк-воздушные батареи стали вдвое выносливее благодаря тандему металлов
Исследователи совершили прорыв в улучшении цинк-воздушных батарей, или ZAB, — перспективной технологии хранения энергии.
Они разработали новый катализатор, который ускоряет ключевую реакцию в таких батареях — восстановление кислорода (ORR). Это открытие может привести к созданию более мощных и долговечных аккумуляторов для реального применения.
Результаты опубликованы в издании Energy & Environmental Science.
Главная проблема цинк-воздушных батарей — медленная реакция восстановления кислорода, из-за чего они работают не так эффективно, как хотелось бы. Обычно для ускорения реакции используют платиновые катализаторы, но они дорогие, редкие и чувствительны к примесям. Ученые искали более дешевую и надежную альтернативу и нашли ее в двойных атомных катализаторах (DAC) — структурах, где два атома металла работают в паре, усиливая реакцию.
Команда под руководством Ди Чжана из Университета Тохоку создала катализатор на основе железа (Fe) и кобальта (Co), встроенных в пористую углеродно-азотную матрицу. Материал назвали Fe1Co1-N-C. Сначала ученые смоделировали, как кислотность среды влияет на реакцию, а затем синтезировали катализатор, используя шаблоны и активацию CO2. Получилась структура с мелкими порами, через которые легко проходят реагенты, что повышает эффективность.
Результаты впечатляют:
- Катализатор Fe1Co1-N-C оказался эффективнее платинового.
- Цинк-воздушные батареи на его основе выдали напряжение 1,51 В и плотность энергии 1079 Вт·ч на кг цинка.
- Они выдерживают высокие токи (от 2 до 600 мА/см²) и работают дольше 3600 часов (7200 циклов) — это рекордный показатель.
Наш подход позволяет создавать катализаторы для реальных применений, — говорит Чжан. — Мы объединили теорию и эксперимент, чтобы получить материал, который значительно улучшает батареи.
Теперь команда планирует уточнить методы синтеза DAC и точнее определять активные центры в катализаторах. Это поможет сделать энергетические технологии еще эффективнее.
Этот прорыв важен по трем причинам:
- Дешевле платины — железо и кобальт доступнее, а катализатор на их основе работает даже лучше.
- Долгий срок службы — 7200 циклов без деградации открывает путь к коммерческому использованию.
- Гибкость — батареи работают при разных токах, что важно для электромобилей и сетевых хранилищ.
Хотя результаты впечатляют, масштабирование производства таких катализаторов — отдельная задача. Синтез DAC требует точного контроля на атомном уровне, и пока неясно, насколько легко его адаптировать для массового выпуска.
Ранее ученые разработали миниатюрные цинк-воздушные батареи для роботов.
