«Возрастает спрос на высокопроизводительные, недорогие и безопасные аккумуляторы для портативной электроники, электромобилей и других устройств хранения энергии», – сказал Хунцзе Дай, профессор химии в Стэнфорде и ведущий автор исследования. «Металло-воздушные батареи предлагают возможное недорогое решение."
По словам Дая, наибольшее внимание уделяется литий-ионным батареям, несмотря на их ограниченную плотность энергии (энергия, запасенная на единицу объема), высокую стоимость и проблемы с безопасностью. «При достаточном поступлении кислорода из атмосферы металл-воздушные батареи имеют значительно более высокую теоретическую плотность энергии, чем традиционные водные батареи или литий-ионные батареи», – сказал он. «Среди них цинк-воздух – это технически и экономически наиболее выгодный вариант."
Цинково-воздушные батареи объединяют кислород воздуха и металлический цинк в жидком щелочном электролите для выработки электричества с побочным продуктом оксида цинка. Когда во время зарядки происходит обратный процесс, кислород и металлический цинк регенерируются.
«Воздушно-цинковые батареи привлекательны из-за обилия и низкой стоимости металлического цинка, а также негорючей природы водных электролитов, которые делают батареи безопасными по своей природе», – сказал Дай. «Первичные (неперезаряжаемые) воздушно-цинковые батареи были коммерциализированы для медицинских и телекоммуникационных приложений с ограниченной удельной мощностью. Тем не менее, остается серьезной проблемой разработка электрически перезаряжаемых батарей, камнями преткновения которых является отсутствие эффективных и надежных воздушных катализаторов, а также ограниченный срок службы цинковых электродов."
Активные и прочные электрокатализаторы на воздушном электроде необходимы для катализа реакции восстановления кислорода во время разряда и реакции выделения кислорода во время перезарядки.
По словам Дая, в воздушно-цинковых батареях обе каталитические реакции протекают медленно.
Недавно его группа разработала ряд высокоэффективных электрокатализаторов, изготовленных из оксида неблагородных металлов или нанокристаллов, гибридизованных с углеродными нанотрубками. Эти катализаторы обладают более высокой каталитической активностью и долговечностью в щелочных электролитах, чем катализаторы, изготовленные из платины и других драгоценных металлов.
«Мы обнаружили, что аналогичные катализаторы значительно повышают производительность воздушно-цинковых батарей», – сказал Дай. как первичный, так и аккумуляторный. «Комбинация гибридного воздушного катализатора на основе оксида кобальта для восстановления кислорода и гибридного воздушного катализатора на основе гидроксида никеля и железа для выделения кислорода привела к рекордно высокой энергоэффективности для воздушно-цинковой батареи с высокой удельной энергоемкостью более чем в два раза. литий-ионная технология."
Новый аккумулятор также продемонстрировал хорошую обратимость и стабильность при длительных циклах зарядки и разрядки в течение нескольких недель. «Эта работа может стать важным шагом на пути к разработке практических перезаряжаемых воздушно-цинковых батарей, хотя другие проблемы, связанные с цинковым электродом и электролитом, еще предстоит решить», – добавил Дай.