Overgangsmetalkomposit giver et omkostningseffektivt løft for glansløs zink-luft-batteriydelse

Genopladelige zink-luft-batterier, drevet af oxidation af zink med ilt fra luften, tilbyder en effektiv opbevaringsmulighed for vedvarende energi, der er både ren og sikker. Batteriydelsen er dog blevet hæmmet af langsomme elektrokemiske oxygenreaktioner, en kritisk flaskehals for skalering og kommercialisering.

I deres undersøgelse offentliggjort i Particuology , udviklede et team af forskere i Kina en strategi til at forbedre batteriydelsen, der involverer at booste oxygenreaktioner ved at kombinere to overgangsmetaller for at levere høj elektrokatalytisk aktivitet.

De fleste vedvarende energikilder, herunder solenergi, mangler langsigtet stabilitet og kræver højeffektive energilagringssystemer for at integrere med elnettet. Genopladelige zink-luft-batterier anses for at være gode kandidater til næste generations energilagring, fordi de pakker en kraft med ultrahøj teoretisk energitæthed. Disse batterier trækker en af ​​deres vigtigste reaktanter, ilt, fra luften. De indeholder ingen giftige forbindelser og kan genbruges, bortskaffes sikkert og genoplades med nyt zink.

Hindringen ligger i et par elektrokemiske reaktioner - oxygenudviklingsreaktion (OER) og oxygenreduktionsreaktion (ORR) - der finder sted ved luftkatoden under batteriopladning og -afladning.

"Redox-kinetikken for ORR og OER er meget træg og giver alvorlig polarisering, nedsat energieffektivitet og begrænset levetid for praktiske genopladelige zink-luft-batterier," sagde papirforfatter Bo-Quan Li, lektor ved Beijing Institute of Technology.

For at zink-luft-batterier skal være levedygtige i stor skala, har disse reaktioner brug for et løft. Ædelmetaller og overgangsmetaller (nikkel, kobolt, mangan og jern) kan bruges til at katalysere ORR og OER kinetik ved for eksempel at accelerere overførslen af ​​elektroner mellem elektrode og reaktanter. Disse teknikker virker, men til en høj pris.

"Ædelmetal-baserede elektrokatalysatorer viser state-of-the-art elektrokatalytisk aktivitet og tjener som bredt accepterede benchmarks," sagde Li. "Men de høje omkostninger, jordmangel og dårlig holdbarhed hindrer deres praktiske anvendelser i stor skala."

Som sådan er den igangværende søgen efter en højtydende ædelmetalfri løsning, der katalyserer både ORR/OER, af stor betydning for praktiske genopladelige zink-luft-batterier, sagde Li.

Tidligere undersøgelser har vist, at indlejring af overgangsmetalatomer i et ledende kulstofsubstrat producerer høj elektrokatalytisk aktivitet på grund af atomær effektivitet, unik elektronisk struktur og mangfoldighed i kemisk struktur. Men hvilket metal fungerer bedst til både ORR og OER?

I deres undersøgelse spørger forskerholdet fra Beijing Institute of Technology, Tsinghua University og Harbin Normal University:hvorfor vælge kun én?

"En enkelt type aktivt sted kan næppe fremme både ORR- og OER-kinetik samtidigt for at give enestående bifunktionel elektrokatalytisk aktivitet," sagde Li. "At sammensætte forskellige aktive steder med respektive elektrokatalytisk aktivitet er blevet bekræftet som en effektiv strategi til at realisere multifunktionalitet."

Forskerholdet kombinerede to atomare overgangsmetalsteder - atomært jern (Fe) og atomært nikkel (Ni) - og indlejrede kompositten over et nitrogen-doteret kulstof (NC) substrat. Fe opnåede høj elektrokatalytisk aktivitet på iltreduktion, mens Ni med succes øgede iltudviklingen. Sammen realiserede de højaktive elektrokatalysatorer i begge reaktioner.

"Den sammensatte elektrokatalysator demonstrerede enestående bifunktionel elektrokatalytisk aktivitet, der overgår den ædelmetalbaserede elektrokatalysator og de fleste af de rapporterede bifunktionelle elektrokatalysatorer baseret på analoge aktive steder," sagde Li.

Forskere viste, at genopladelige zink-luft-batterier udstyret med FeNi-NC-elektrokatalysatoren opnåede høj spidseffekttæthed, høje arbejdshastigheder og lang levetid.

Ud over effektivt at booste batteriets ydeevne er Fe og Ni omkostningseffektive, skalerbare alternativer til de dyrere og mere sparsomme ædelmetal-iltelektrokatalysatorer i genopladelige zink-luft-batterier.

Forskerholdet udvikler nu teknikker til at optimere konfigurationen af ​​de atomare overgangsmetalsteder og fremme cykelstabiliteten under arbejdsforhold.

"Det ultimative mål er at realisere genopladelige zink-luft-batterier med høj kapacitet, høj kapacitet og lang cykling til praktiske anvendelser," sagde Li. + Udforsk yderligere

Zink-luft-batteri med forbedret ydeevne takket være solenergi