ПОСТАВЩИКИ МАШИН
И ОБОРУДОВАНИЯ

Команда исследователей из Университета Дунхуа (Китай) и партнёрских организаций представила инновационную разработку — воздушно‐цинковые батареи с принципиально новыми характеристиками. Главное достижение: прототип сохраняет стабильную работоспособность в цикле зарядки‐разрядки свыше 1100 часов — показатель, заметно превышающий параметры существующих аналогов.

В чём уникальность решения

Ключевой элемент инновации — особый катализатор с гетеропереходом p–n. Его структура объединяет:

• графитовый нитрид углерода;
• сеть углеродных нановолокон;
• двойные активные центры на основе кобальта.

При воздействии света этот катализатор кардинально ускоряет ключевые реакции:

• восстановление кислорода;
• выделение кислорода.

Результат — рост удельной мощности, энергоэффективности и стабильности работы как жидкостных, так и гибких версий батарей.

Преимущества воздушно‐цинковых батарей

Исследователи подчёркивают ряд принципиальных достоинств технологии:

• высокая теоретическая плотность энергии — потенциал для ёмкого хранения;
• самобезопасность — сниженный риск аварийных ситуаций;
• доступность сырья — экономичность массового производства;
• гибкость конструкции — работоспособность при многократном сгибании (в диапазоне 0–180–0).

Однако до сих пор внедрение таких батарей сдерживалось низкой скоростью электрохимической реакции на воздушном электроде. Это приводило к:

• высокому перенапряжению;
• ограниченной удельной мощности;
• быстрому падению производительности.

Как удалось преодолеть ограничения

Учёные предложили нестандартный подход — объединить фотоактивность и электрокатализ в единой архитектуре воздушного электрода. Конструкция катализатора включает:

• Графитовые нанолисты нитрида углерода.
• Самонесущий каркас из углеродных нановолокон.

Два активных элемента на основе кобальта:

• наночастицы кобальта в углеродных нанотрубках;
• атомарно диспергированные фрагменты Co–N4.

Такая комбинация формирует гетеропереход p–n типа II. Под действием света он обеспечивает направленный перенос заряда:

• фотогенерируемые электроны движутся к проводящему углеродному каркасу, запуская восстановление кислорода;
• «дырки» активизируют выделение кислорода на соседних участках.

Пространственное разделение процессов подавляет рекомбинацию зарядов и снижает энергетические барьеры реакции.

Практические результаты

Электрохимические тесты подтвердили эффективность решения:

• перенапряжение кислородной реакции — всего 0,684 В (лучше многих современных катализаторов);
• пиковая удельная мощность в стандартных батареях — 310 мВт/см2;
• пиковая мощность гибких ZAB — 96 мВт/см2 при сохранении работоспособности в экстремальных условиях.

Перспективы применения

Разработана универсальная стратегия внедрения технологии в реальные сферы:

• крупномасштабное хранение энергии в энергосистемах;
• носимая электроника (гибкие устройства);
• солнечные энергосистемы.

Важные преимущества подхода:

• снижение энергетических потерь;
• увеличение срока службы устройств;
• отказ от драгоценных металлов в производстве.

Дальнейшие возможности

Исследование, опубликованное в журнале eScience, открывает двери для:

• адаптации технологии к другим воздушно‐металлическим батареям;
• развития фотоэлектрических электрохимических систем;
• интеграции солнечной энергии в электрохимические накопители.

По мнению учёных, это шаг к устранению разрыва между генерацией возобновляемой энергии и её эффективным хранением. Технология обещает стать мостом между солнечными панелями и системами энергонакопления нового поколения.