Цинк-повітряні батареї можуть стати серйозним конкурентом літій-іонних акумуляторів. Науковці з Технічного університету Дармштадта розробили новий каталізатор, який допомагає таким батареям стабільно працювати під час багаторазового заряджання та розряджання. У лабораторних випробуваннях система продемонструвала понад 300 годин роботи.
Секрет — у залізі, нікелі та вуглеці
Цинк-повітряні батареї давно привертають увагу дослідників завдяки високій потенційній енергетичній щільності та доступності матеріалів. Їх використовують, зокрема, у слухових апаратах, але створити надійну перезаряджувану версію виявилося складно: хімічні реакції всередині елемента важко контролювати протягом багатьох циклів.
Команда під керівництвом професора Йорга Шнайдера запропонувала гібридний каталізатор на основі заліза, нікелю та вуглецю. Його структура складається з крихітних частинок фериту нікелю, оточених вуглецевим матеріалом, легованим азотом і фосфором.
Таке покриття полегшує перенесення електронів і речовин, створює більше активних ділянок для реакцій та допомагає захистити частинки каталізатора від руйнування й злипання. Завдяки цьому хімічні процеси в батареї відбуваються стабільніше.
Потужність майже вдвічі вища за контрольний показник
Під час випробувань повноцінного цинк-повітряного елемента максимальна питома потужність сягнула 54 мВт/см². Для порівняння, у дослідженні показник стандартних каталізаторів на основі платини та рутенію становив 28 мВт/см².
А в тесті з багаторазовим заряджанням і розряджанням батарея пропрацювала понад 300 годин. Важливу роль відіграв контроль так званої потрійної межі — зони, де взаємодіють каталізатор, рідкий електроліт і кисень із повітря.
Втім, 300 годин у лабораторному випробуванні — це не гарантія такого самого ресурсу в комерційній батареї. Технологію ще потрібно перевірити в триваліших тестах і за реальних умов експлуатації.
Чим вони кращі за літій-іонні акумулятори?
Цинк, залізо та вуглець доступні й відносно недорогі матеріали. Крім того, цинк-повітряні системи можуть використовувати водні електроліти, які не горять, що зменшує ризик пожеж, пов’язаних із перегріванням батарей.
Найперспективнішим застосуванням можуть стати стаціонарні системи накопичення енергії — наприклад, для зберігання електрики від сонячних і вітрових електростанцій. Водночас помірна питома потужність поки обмежує використання цієї технології там, де потрібні швидке заряджання та висока віддача енергії.
Якщо дослідникам вдасться масштабувати розробку й підтвердити її довговічність, цинк-повітряні батареї можуть стати доступнішим і безпечнішим доповненням до сучасних систем зберігання енергії.