Исследователи разработали новую высокоэффективную цинко-воздушную аккумуляторную батарею

Ученые из Стэнфордского университета разработали новый тип высокоэффективной цинко-воздушной аккумуляторной батареи. Интенсивные каталитические процессы, происходящие внутри этой аккумуляторной батареи, дают ей такие электрические характеристики и показатели надежности, которые во много раз превосходят аналогичные показатели аккумуляторных батарей, созданных на базе более дорогостоящих платиновых и иридиевых катализаторов. Разработанные исследователями технологии, описание которых было опубликовано в онлайн-варианте журнала Nature Communications, могут лечь в основу создания новых недорогих устройств аккумулирования энергии, которые станут альтернативой широко используемых в настоящее время литий-ионных аккумуляторных батарей.

"Увеличивающиеся темы развития портативной электроники, электрических автомобилей диктуют необходимость создания новых высокоэффективных, недорогих и безопасных устройств аккумулирования энергии" - рассказывает Хонгджи Дэй (Hongjie Dai), профессор химии Стэнфордского университета, - "Металло-воздушние аккумуляторные батареи являются одним из основных недорогих альтернативных вариантов, который в будущем может найти весьма широкое применение".

Основой большинства современных технологий аккумулирования энергии являются литий-ионные аккумуляторы, несмотря на ограниченное значение показателя плотности хранения энергии, достаточно высокой стоимости и проблемы с безопасностью их эксплуатации. "Метало-воздушные аккумуляторные батареи предлагают более высокие показатели энергетической плотности, чем традиционные кислотные и литий-ионные аккумуляторы, за счет того, что большая часть энергии хранится за пределами аккумулятора в виде кислорода, находящегося в атмосфере" - рассказывает профессор Дэй, - "Самым жизнеспособным вариантом метало-воздушных батарей с экономической и технологической точки зрения являются цинко-воздушные батареи, в которых используются весьма распространенные на планете химические вещества".

Цинко-воздушные аккумуляторные батареи работают за счет реакции металлического цинка и атмосферного кислорода, проходящей в среде электролита батареи. В результате этой реакции образуется оксид цинка и производится электрическая энергия. Во время заряда таких аккумуляторных батарей под воздействием электрического тока происходит обратный процесс, цинк снова восстанавливается до металлического состояния, а свободный кислород выделяется в атмосферу. "Цинко-воздушные аккумуляторные батареи привлекательны не только из-за изобилия и низкой цены металлического цинка. Негорючая природа используемых в них водных электролитов, делает практически безопасной эксплуатацию таких батарей".

Но, у разработанной технологии имеются и свои минусы, которые заключаются в вялом течении окислительных и восстановительных реакций, протекающих на воздушном электроде новой аккумуляторной батареи, что проявляется в виде длительного времени зарядки и малой мощности, которую может отдать аккумулятор за единицу времени. Но недавно группа профессора Дэя разработала высокоэффективный катализатор электрохимических процессов, изготовленный из наночастиц из оксида металла, не входящего в разряд дорогостоящих и драгоценных металлов, и углеродных нанотрубок. Использование такого катализатора позволило во много раз увеличить скорость химических реакций, которая даже превысила скорость подобных реакции, происходящих в присутствии платинового катализатора.

"Использование комбинации катализатора на основе оксида кобальта для процесса окисления цинка и катализатора на основе гидроокиси железа-никеля для процесса восстановления цинка позволила добиться рекордных скоростных и энергетических показателей новой цинко-воздушной аккумуляторной батареи, энергетическая плотность которой превысила в два раза показатель плотности литий-ионных аккумуляторных батарей".

Новая цинко-воздушная аккумуляторная батарея продемонстрировала высокие показатели по обратимости при большом количестве циклов заряда-разряда и при длительном хранении заряда, который не уменьшился даже через несколько недель хранения. "Наша работа является большим шагом на пути к созданию цинко-воздушных аккумуляторных батарей, которые, мы надеемся, заменят все остальные виды. Для этого нам остается решить только несколько не очень значительных проблем, касающихся цинкового электрода и состава электролита" - добавил профессор Дэй.