Oplaadbare zink-luchtbatterijen, aangedreven door zink te oxideren met zuurstof uit de lucht, bieden een efficiënte opslagoptie voor hernieuwbare energie die zowel schoon als veilig is. De prestaties van de batterij worden echter belemmerd door langzame elektrochemische zuurstofreacties, een cruciaal knelpunt voor schaalvergroting en commercialisering.

In hun studie gepubliceerd in Particuology , ontwierp een team van onderzoekers in China een strategie om de batterijprestaties te verbeteren, waarbij zuurstofreacties worden gestimuleerd door twee overgangsmetalen te combineren om een ​​hoge elektrokatalytische activiteit te leveren.

De meeste hernieuwbare energiebronnen, waaronder zonne-energie, missen stabiliteit op lange termijn en vereisen zeer efficiënte energieopslagsystemen om te integreren met het elektriciteitsnet. Oplaadbare zink-luchtbatterijen worden beschouwd als goede kandidaten voor energieopslag van de volgende generatie, omdat ze een krachtige indruk maken met een ultrahoge theoretische energiedichtheid. Deze batterijen halen een van hun belangrijkste reactanten, zuurstof, uit de lucht. Ze bevatten geen giftige stoffen en kunnen worden gerecycled, veilig weggegooid en opnieuw gevuld met nieuw zink.

De hindernis ligt in een paar elektrochemische reacties - zuurstofevolutiereactie (OER) en zuurstofreductiereactie (ORR) - die plaatsvinden aan de luchtkathode tijdens het opladen en ontladen van de batterij.

"De redoxkinetiek voor ORR en OER is zeer traag en leidt tot ernstige polarisatie, verminderde energie-efficiëntie en beperkte levensduur van praktische oplaadbare zink-luchtbatterijen", zegt auteur van het artikel Bo-Quan Li, universitair hoofddocent aan het Beijing Institute of Technology.

Om zink-luchtbatterijen op grote schaal levensvatbaar te maken, hebben deze reacties een boost nodig. Edelmetalen en overgangsmetalen (nikkel, kobalt, mangaan en ijzer) kunnen worden gebruikt om de ORR- en OER-kinetiek te katalyseren door bijvoorbeeld de overdracht van elektronen tussen elektrode en reactanten te versnellen. Deze technieken werken, maar tegen hoge kosten.

"Elektrokatalysatoren op basis van edelmetalen demonstreren ultramoderne elektrokatalytische activiteit en dienen als algemeen aanvaarde benchmarks", zei Li. "Maar de hoge kosten, de schaarste aan aarde en de slechte duurzaamheid belemmeren hun grootschalige praktische toepassingen."

Als zodanig is de voortdurende zoektocht naar een hoogwaardige edelmetaalvrije optie die zowel ORR als OER katalyseert van groot belang voor praktische oplaadbare zink-luchtbatterijen, zei Li.

Eerdere studies hebben aangetoond dat het inbedden van overgangsmetaalatomen in een geleidend koolstofsubstraat een hoge elektrokatalytische activiteit produceert vanwege atomaire efficiëntie, unieke elektronische structuur en diversiteit in chemische structuur. Maar welk metaal werkt het beste voor zowel ORR als OER?

In hun onderzoek vraagt ​​het onderzoeksteam van het Beijing Institute of Technology, Tsinghua University en Harbin Normal University:waarom er maar één kiezen?

"Een enkel type actieve site kan nauwelijks zowel ORR- als OER-kinetiek tegelijkertijd bevorderen om uitstekende bifunctionele elektrokatalytische activiteit te bieden", zei Li. "Het samenstellen van verschillende actieve sites met respectieve elektrokatalytische activiteit is geverifieerd als een effectieve strategie om multifunctionaliteit te realiseren."

Het onderzoeksteam combineerde twee atomaire overgangsmetaallocaties - atomair ijzer (Fe) en atomair nikkel (Ni) - en verankerde de composiet op een met stikstof gedoteerd koolstof (NC) substraat. Fe bereikte een hoge elektrokatalytische activiteit bij zuurstofreductie, terwijl Ni met succes de zuurstofontwikkeling verhoogde. Samen realiseerden ze in beide reacties hoogactieve elektrokatalysatoren.

"De samengestelde elektrokatalysator vertoonde een uitstekende bifunctionele elektrokatalytische activiteit die de op edelmetaal gebaseerde elektrokatalysator en de meeste van de gerapporteerde bifunctionele elektrokatalysatoren op basis van analoge actieve sites overtreft," zei Li.

Onderzoekers toonden aan dat oplaadbare zink-luchtbatterijen uitgerust met de FeNi-NC elektrokatalysator een hoge piekvermogensdichtheid, hoge werksnelheden en een lange levensduur bereikten.

Naast het effectief verbeteren van de batterijprestaties, zijn Fe en Ni kosteneffectieve, schaalbare alternatieven voor de duurdere en schaarsere edelmetaalzuurstofelektrokatalysatoren in oplaadbare zink-luchtbatterijen.

Het onderzoeksteam ontwikkelt nu technieken om de configuratie van de atomaire overgangsmetaalplaatsen te optimaliseren en de fietsstabiliteit onder werkomstandigheden te bevorderen.

"Het uiteindelijke doel is om oplaadbare zink-luchtbatterijen met een hoge capaciteit en een lange levensduur te realiseren voor praktische toepassingen", zegt Li. + Verder verkennen

Zink-luchtbatterij met verbeterde prestaties dankzij zonne-energie