Новый аккумулятор на основе цинка и воздуха обеспечивает более 300 часов работы и может стать альтернативой литиевым аккумуляторам.

Аккумуляторы на основе цинка и воздуха уже много лет считаются интересной альтернативой благодаря своей способности хранить энергию и использованию относительно обильных материалов. Однако существует препятствие, которое ограничивает их развитие: обеспечение возможности эффективной перезарядки и сохранение высоких характеристик после множества циклов по-прежнему остается сложной задачей для исследователей.

Группа химиков из Технического университета Дармштадта в Германии разработала новый материал, который может помочь преодолеть этот барьер. Исследования сосредоточены на улучшении химических реакций, происходящих внутри этих аккумуляторов, с целью достижения более стабильной и долговечной работы. Результаты, полученные в лаборатории, указывают на возможное применение этих аккумуляторов для хранения возобновляемой энергии.

Гибридный катализатор для улучшения аккумуляторов на основе цинка и воздуха

Ключом к этому прорыву является катализатор, состоящий из железа, никеля и углерода. Команда под руководством профессора Йорга Й. Шнайдера соединила нанометрические частицы никелевой ферриты с структурой углерода, модифицированной азотом и фосфором. Такая конфигурация позволяет повысить активность материала и контролировать химические реакции, необходимые для зарядки и разрядки аккумулятора.

Ферриты никеля уже изучались в качестве катализаторов для ускорения реакций кислорода в перезаряжаемых аккумуляторах на основе цинка и воздуха. Проблема заключалась в том, что эти материалы обладали ограниченной химической активностью и могли терять стабильность в процессе работы. Чтобы решить эту проблему, исследователи включили мелкие частицы в структуру углерода в форме нанорогов, что способствует их дисперсии и предотвращает слишком легкое объединение или растворение.

Эта углеродная оболочка также способствует транспорту электронов и веществ, участвующих в электрохимических реакциях. В то же время она обеспечивает больше активных точек для их протекания. В результате получается гибридный катализатор, разработанный для длительной работы без снижения эффективности, что является одним из основных условий для того, чтобы батареи на цинке и воздухе могли стать жизнеспособной альтернативой в области хранения энергии.

В ходе проведенных тестов материал показал потенциал полуволны 0,79 вольт и угол Тафеля 56,5 милливольт на дециль, что является двумя параметрами, используемыми для оценки поведения электрохимических катализаторов. Кроме того, он способствовал процессу восстановления кислорода с участием четырех электронов, что имеет важное значение для повышения эффективности реакций, происходящих внутри аккумулятора.

Результаты также оказались многообещающими при интеграции катализатора в полную элементу. Мощность аккумулятора достигла максимальной величины в 54 милливатта на квадратный сантиметр, тогда как в качестве эталона для традиционных катализаторов на основе платины и рутения использовалось значение 28 милливатт на квадратный сантиметр. Такое сравнение указывает на значительное улучшение в экспериментальных условиях исследования, однако оно само по себе не гарантирует, что система готова к коммерциализации.

Самый впечатляющий результат был получен во время тестов на зарядку и разрядку. Аккумулятор на основе цинка и воздуха смог работать более 300 часов в лабораторных испытаниях при постоянных циклах тока. По словам исследователей, новый катализатор помогает стабилизировать так называемую тройную интерфейсную зону — область, где пересекаются твердый катализатор, жидкий электролит и кислород из воздуха.

Поддержание стабильности этой интерфейсной зоны крайне важно для контролируемого протекания реакций. Если катализатор теряет активность или повреждается, эффективность аккумулятора может снизиться, а его срок службы пострадает. Новый материал предназначен именно для предотвращения таких проблем и обеспечения более стабильных условий работы в течение длительного времени.

Альтернатива для хранения возобновляемой энергии

Аккумуляторы на основе цинка и воздуха обладают рядом потенциальных преимуществ по сравнению с технологиями на литиевой основе. Цинк, железо и углерод являются относительно обильными материалами, что может способствовать обеспечению сырьем и снижению затрат. Кроме того, такие аккумуляторы могут использовать негорючие водные электролиты, что снижает определенные риски, связанные с пожарами, вызванными перегревом аккумуляторов.

Их способность хранить большие объемы энергии по сравнению с их весом также делает их интересной технологией. Однако следует различать теоретические возможности химии цинк-воздух и характеристики полноценной коммерческой батареи. Энергетическая плотность, доступная мощность, эффективность зарядки и разрядки, а также фактическое время службы зависят от конструкции каждой системы и условий ее работы.

До настоящего времени батареи цинк-воздух использовались в основном в устройствах небольшого размера, таких как наушники, где их емкость хранения оказывается полезной, и не требуется их перезарядка. Разработка перезаряжаемых версий оказалась гораздо сложнее из-за трудностей с контролем химических реакций во время циклов зарядки и разрядки.

Работы Технического университета Дармштадта касаются важной части этой проблемы, но до рассмотрения возможности масштабного внедрения остаются нерешенными некоторые вопросы. Самые значимые из них — долговечность в длительной перспективе, энергоэффективность на протяжении всего цикла, стоимость производства и способность сохранять характеристики при увеличении размеров элементов.

Благодаря своим особенностям статическое хранение электроэнергии является одним из наиболее перспективных направлений применения этой технологии. Аккумуляторы на основе цинка и воздуха могут помочь хранить избыток энергии, произведенной солнечными установками и ветряными электростанциями, для ее использования в периоды недостаточной генерации. В этой сфере стоимость материалов и безопасность могут быть настолько же важны, как и максимальная мощность, которую обеспечивает система.

В долгосрочной перспективе также можно будет изучить их применение в тяжелой транспортной отрасли и электромобилях. Однако умеренная плотность мощности и проблемы, связанные с зарядкой, делают преждевременным рассмотрение их в качестве прямой замены существующим аккумуляторам для автомобилей. Чтобы дойти до этого, необходимо доказать, что преимущества, наблюдаемые в лабораторных условиях, сохраняются и в полноценных системах, работающих в реальных условиях использования.

Таким образом, это исследование представляет собой многообещающий шаг к более долговечным и легко заряжаемым аккумуляторам на основе цинка и воздуха. Более 300 часов работы, достигнутых в ходе тестов, демонстрируют потенциал катализатора, хотя настоящий технологический прорыв наступит, когда станет возможным перенести эти результаты на более крупные установки и доказать их экономическую целесообразность.