Нова батарея на цинк-повітря має термін служби понад 300 годин та є альтернативою літієвим батареям.

Акумулятори на основі цинку та повітря вже багато років є цікавою альтернативою завдяки своїй здатності зберігати енергію та використанню відносно поширених матеріалів. Однак існує перешкода, яка обмежувала їх розвиток: забезпечення можливості ефективного підзаряджання та збереження їхніх характеристик після численних циклів залишається викликом для дослідників.

Команда хіміків з Технічного університету Дармштадта в Німеччині розробила новий матеріал, який може допомогти подолати цю перешкоду. Дослідження спрямоване на покращення хімічних реакцій, що відбуваються всередині цих акумуляторів, з метою досягнення більш стабільної та довговічної роботи. Результати, отримані в лабораторії, вказують на можливе застосування у зберіганні енергії з відновлюваних джерел.

Гібридний каталізатор для покращення акумуляторів на основі цинку та повітря

Ключем до цього прориву є каталізатор, складений з заліза, нікелю та вуглецю. Команда під керівництвом професора Йорга Й. Шнайдера поєднала нанометричні частинки нікелевої ферити зі структурою вуглецю, модифікованою азотом та фосфором. Така конфігурація дозволяє покращити активність матеріалу та контролювати хімічні реакції, необхідні для заряджання та розряджання акумулятора.

Ферити нікелю вже досліджувалися як каталізатори для прискорення реакцій кисню в перезаряджуваних акумуляторах на основі цинку та повітря. Проблемою було те, що ці матеріали мали обмежену хімічну активність та могли втрачати стабільність під час роботи. Щоб вирішити цю проблему, дослідники включили маленькі частинки до структури вуглецю у формі нанорогів, що допомагає підтримувати їх розсіяність та запобігає їх згрупуванню чи легкому розчиненню.

Ця вуглецева оболонка також сприяє транспортуванню електронів та речовин, які беруть участь у електрохімічних реакціях. Водночас вона створює більше активних точок для їх відбування. Результатом є гібридний каталізатор, розроблений для тривалої роботи без втрати ефективності, що є однією з основних умов для того, щоб акумулятори на основі цинку та повітря могли стати життєздатною альтернативою для застосувань у зберіганні енергії.

Під час проведених тестів матеріал досяг потенціалу напівхвилі 0,79 вольт та кута Тафеля 56,5 мілівольт на десятиліття — двох параметрів, які використовуються для оцінки поведінки електрохімічних каталізаторів. Він також сприяв шляху відновлення кисню з участю чотирьох електронів, що є важливим процесом для покращення ефективності реакцій, що відбуваються всередині акумулятора.

Результати також були обнадійливими під час використання каталізатора у повноцінному елементі. Акумулятор досяг максимальної щільності потужності 54 мілівати на квадратний сантиметр, порівняно з 28 міліватами на квадратний сантиметр, які використовувалися як стандарт для традиційних каталізаторів на основі платини та рутенію. Це порівняння свідчить про значне покращення у умовах експерименту, хоча саме по собі це не означає, що система готова до комерціалізації.

Найбільш вражаючий результат було досягнуто під час тестів завантаження та розрядження. Акумулятор на основі цинку та повітря зміг працювати понад 300 годин у лабораторних випробуваннях, піддаючись циклам постійного струму. За словами дослідників, новий каталізатор допомагає стабілізувати так звану тройну інтерфейсну зону — місце, де зустрічаються твердий каталізатор, рідкий електроліт та кисень з повітря.

Підтримання стабільності цієї інтерфейсної зони є ключовим для контрольованого протікання реакцій. Якщо каталізатор втрачає активність або пошкоджується, продуктивність акумулятора може знизитися, а термін його служби буде під загрозою. Новий матеріал саме для того і створений, щоб уникнути цих проблем та забезпечити більш стабільні умови роботи протягом тривалого часу.

Альтернатива для зберігання відновлюваної енергії

Акумулятори на основі цинку та повітря мають кілька потенційних переваг порівняно з технологіями на літії. Цинк, залізо та вуглець є відносно поширеними матеріалами, що може полегшити постачання сировини та знизити витрати. Крім того, ці акумулятори можуть використовувати негорючі водні електроліти, що зменшує певні ризики, пов’язані з пожежами, спричиненими перегрівом акумуляторів.

Їхня здатність зберігати великі кількості енергії порівняно з їхньою вагою також робить їх цікавою технологією. Проте варто розрізняти теоретичні можливості хімії цинк-повітря та характеристики повноцінної комерційної батареї. Енергетична щільність, доступна потужність, ефективність заряджання та розряджання, а також фактичний термін служби залежать від конструкції кожної системи та умов її роботи.

До цього часу батареї цинк-повітря використовувалися переважно у пристроях невеликих розмірів, таких як навушники, де їхня здатність до зберігання енергії є корисною, і не є обов’язковим їх підзаряджати. Розробка перезарядних версій виявилася набагато складнішою через труднощі з контролем хімічних реакцій під час циклів заряджання та розряджання.

Дослідження Технічного університету Дармштадта стосуються важливої частини цієї проблеми, але ще залишаються питання, які потрібно вирішити, перш ніж думати про масове впровадження. Найважливішими з них є довгострокова стійкість, енергоефективність протягом усього циклу, вартість виробництва та здатність підтримувати продуктивність при збільшенні розміру елементів.

Через свої характеристики стаціонарне зберігання електроенергії є одним із найцікавіших застосувань цієї технології. Акумулятори на основі цинку та повітря можуть допомогти зберігати надлишки енергії, виробленої сонячними та вітровими електростанціями, для її використання у моменти недостатнього виробництва. У цій сфері вартість матеріалів та безпека можуть бути настільки ж важливими, як і максимальна потужність, яку забезпечує система.

У довгостроковій перспективі також можна було б дослідити їх використання у важкому транспорті та електромобілях. Однак помірна щільність потужності та проблеми, які все ще існують під час заряджання, роблять передчасним вважати їх прямою заміною сучасних акумуляторів у автомобілях. Щоб досягти цього, необхідно довести, що переваги, спостережувані в лабораторних умовах, зберігаються в повноцінних системах, які працюють у реальних умовах використання.

Отже, це дослідження є обнадійливим кроком у напрямку створення більш довговічних та легко заряджуваних акумуляторів на основі цинку та повітря. Понад 300 годин роботи, отриманих під час тестів, демонструють потенціал каталізатора, хоча справжній технологічний прорив настане, коли буде можливо застосувати ці результати у більших масштабах та довести їхню економічну доцільність.