Энергию можно хранить более эффективно, используя цинково-воздушные аккумуляторы (ZAB), которые активно применяются в конкуренции за новые методы хранения энергии.
Данный тип аккумуляторов функционирует за счет взаимодействия кислорода из атмосферы с металлическим цинком для производства электричества.
По сравнению с обычными литий-ионными батареями, где используются нестабильные материалы, ZAB являются более легкими, безопасными и, возможно, более дешевыми.
ZAB обладают более высокой теоретической плотностью энергии и имеют меньше вероятность перегрева или возгорания по сравнению с литий-ионными системами.
Исследователи из Университета Тохоку создали двухъядерный катализатор, который может изменить игровые правила, чтобы преодолеть проблему медленной реакции восстановления кислорода (ORR). Этот новый двухатомный катализатор, объединяющий атомы железа (Fe) и кобальта (Co) под руководством доцента Ди Чжана из Института передовых исследований материалов (WPI-AIMR), обеспечивает значительное увеличение производительности. Медленная ORR, приводящая к снижению эффективности и уменьшению срока службы аккумулятора, теперь может быть преодолена благодаря этому инновационному катализатору.
Исследователи провели компьютерное моделирование для изучения влияния уровней pH на процесс ORR в материале Fe1Co1-N-C, внедренном в пористую структуру на основе азота и углерода. Это исследование способствовало созданию катализатора с оптимальными свойствами для использования в щелочных аккумуляторах. За этим последовал этап создания структуры с помощью метода шаблонов и активации CO2, что привело к образованию небольших пор, необходимых для эффективной транспортировки реагентов. В результате появился катализатор, который не только увеличил скорость ORR, но и превзошел по эффективности стандартный платиновый катализатор Pt/C.
В лабораторных испытаниях было установлено, что двухатомный катализатор Fe1Co1-N-C превосходит платину по активности в реакции восстановления кислорода. Новый катализатор позволил воздушно-цинковым батареям достичь напряжения разомкнутой цепи на уровне 1,51 вольта, что свидетельствует о высоком энергетическом потенциале.
Эксперименты также показали, что батареи с использованием Fe1Co1-N-C обладают плотностью энергии 1079 Вт·ч/кгZn−1, что значительно превышает стандартные показатели для подобных аккумуляторных систем. При этом производительность батарей оставалась на высоком уровне даже при больших токах в диапазоне от 2 до 600 мА/см2.
Чжан выразил мнение, что данная исследовательская деятельность является результатом эффективной и рациональной стратегии создания катализаторов, применимых в реальных условиях. Объединив теоретические концепции с практическими методами синтеза, был разработан катализатор, способный существенно повысить эффективность цинково-воздушных батарей. Этот катализатор обладает впечатляющим сроком службы: более 3600 часов и 7200 циклов при умеренном токе, что превосходит возможности большинства современных аккумуляторов.
Благодаря успеху двухкомпонентного катализатора, открывается возможность создания ZAB, которые будут более эффективными, долговечными и доступными. Производство в больших масштабах может стать выгодным, так как железо и кобальт доступнее платины.
Команда Чжана смотрит в будущее и планирует улучшить точность определения атомных пар в следующих катализаторах. Они также стремятся разработать более совершенные методы для выявления конкретных активных участков катализатора, способствующих ORR.
Исследователи стремятся улучшить технологии преобразования энергии, чтобы применять их в электромобилях и системах возобновляемой энергетики, расширяя возможности катализаторов с двум я атомами в этом процессе.