Кобальт-железный катализатор повышает стабильность и производительность воздушно-цинковых батарей

Аккумулятор TROJAN 31XHS

Инженеры из Университета Монаша в Австралии разработали новый катализатор, который, по их словам, может приблизить воздушно-цинковые батареи к реальному использованию в энергосетях и на транспорте.

Исследователи из Университета Монаша разработали кобальт-железный катализатор, который значительно повышает производительность и продлевает срок службы воздушно-цинковых батарей, обеспечивая их исключительную стабильность в течение «тысяч циклов».

Воздушно-цинковые батареи уже давно считаются потенциальным решением для крупномасштабных систем хранения и транспортировки энергии. Они обладают высокой теоретической плотностью энергии, изготавливаются из распространённых и недорогих материалов и считаются более безопасными, чем многие традиционные альтернативы.

Однако путь к коммерциализации этой технологии был непростым и сопровождался ключевыми препятствиями, в том числе низкой кинетикой реакций восстановления кислорода и выделения кислорода на воздушном катоде, что приводило к высокому перенапряжению при заряде/разряде, низкой эффективности, уменьшению энергоёмкости и сокращению срока службы.

Исследователи с факультета химической и биологической инженерии Университета Монаша разработали кобальт-железный катализатор под названием CoFe-2DSA, который значительно ускоряет и повышает эффективность кислородных реакций в батарее.

С помощью термической обработки они превратили трёхмерный материал в ультратонкие углеродные листы и добавили отдельные атомы кобальта и железа, чтобы создать катализатор, который, по словам соавтора исследования Саида Аскари, превзошёл стандартные коммерческие катализаторы, изготовленные из дорогих металлов, таких как платина и рутений.

«Создав кобальт и железо в виде отдельных атомов на углеродной основе, мы добились рекордных показателей в воздушно-цинковых батареях, продемонстрировав, чего можно достичь, если разрабатывать катализаторы с атомарной точностью», — сказал он.

«Наше расширенное моделирование показало, что пары атомов кобальта и железа в сочетании с азотными легирующими добавками улучшают перенос заряда и оптимизируют кинетику реакции, устраняя одно из самых серьёзных препятствий для создания перезаряжаемых воздушно-цинковых батарей».

Исследователи сообщили, что батарея CoFe-2DSA «превзошла коммерческие и описанные в литературе катализаторы», достигнув удельной мощности 229,6 милливатта на квадратный сантиметр и удельной энергоёмкости 997 Вт·ч на килограмм.

Кроме того, электрокатализатор продемонстрировал исключительную стабильность при циклическом использовании, сохраняя стабильную производительность в течение 74 дней и 3552 циклов.

По словам исследователей, полученные результаты открывают путь к масштабируемым инновациям, в том числе в области хранения энергии в масштабах энергосистемы, а также в качестве альтернативы современным литий-ионным аккумуляторам в электромобилях.

«Непрерывная работа воздушно-цинковой батареи с возможностью подзарядки в течение более чем двух месяцев — это важный этап в данной области, — сказал соавтор исследования доктор Парама Банерджи. — Это доказывает, что данная технология готова выйти за пределы лаборатории и найти практическое применение».

Результаты исследования представлены в научной статье Синергетическое электронное взаимодействие между одиночным атомом Co-Fe и азотом на двумерном углероде усиливает бифункциональное окислительно-восстановительное действие кислорода в воздушно-металлических батареях, опубликованной в Nature Communications.