Nanodeeltjes met drie verschillende materiaallagen kunnen helpen om de prestaties van een zink-luchtbatterij te verbeteren, A * STAR-onderzoekers hebben gevonden.

Zink-luchtbatterijen zijn goedkoop, een hoge energiedichtheid hebben, en gaan heel lang mee. Hun gebruik van een elektrolyt op waterbasis maakt ze veiliger dan andere batterijen, dus ze worden vaak aangetroffen in medische toepassingen, zoals hoortoestellen en hartbewakingsapparatuur.

De negatieve elektrode van de batterij bevat zinkmetaal, dat elektronen afstaat wanneer het reageert met hydroxide-ionen in de elektrolyt. Die elektronen genereren een stroom terwijl ze naar de positieve elektrode stromen, waar ze reageren met zuurstof uit de lucht om meer hydroxide-ionen te produceren.

De traagheid van de reactie met zuurstof beperkt de uitgangsspanning van de batterij en de prestaties bij hoge stroomsterkte. Het vinden van een katalysator om de reactie te versnellen kan hogere vermogens- en energiedichtheden opleveren, het openen van een breder scala aan potentiële toepassingen.

Yun Zong en Zhaolin Liu van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering en collega's hebben een katalysator voor nanodeeltjes ontwikkeld die hieraan zou kunnen voldoen. De deeltjes zijn 20-50 nanometer groot, met een kobaltkern omhuld door een binnenschaal van kobaltoxide, die is omgeven door een buitenste schil van gepyrolyseerd polydopamine (PPD), een vorm van koolstof 'gestippeld' met stikstofatomen. Deze nanodeeltjes zijn gecoat op een poreuze koolstofdrager die als een elektrode fungeert. Hun structuur helpt voorkomen dat ze kobalt uitlogen of samenklonteren, en de beschermende buitenschaal maakt de nanodeeltjes ook duurzamer.

Deze drielaagse nanodeeltjes zetten zuurstof in één stap efficiënt om in hydroxide. Het team suggereert dat stikstofatomen in de PPD-schaal helpen om zuurstofatomen aan te trekken en reactiever te maken op weg naar katalytisch actieve plaatsen in het kobaltoxide en PPD. In de tussentijd, de kobaltkern en de PPD-schil helpen elektronen efficiënt naar de zuurstofatomen te stromen. In tegenstelling tot, soortgelijke deeltjes die alleen kobalt en kobaltoxide bevatten, of PPD alleen, zuurstof omgezet in een tweestapsproces dat hydroperoxide produceerde, een ongewenst en corrosief tussenproduct.

De onderzoekers testten hun elektrode in een zink-luchtbatterij (zie afbeelding), en ontdekte dat het een stroom van vijf milliampère per vierkante centimeter elektrode kon produceren bij 1,36 volt gedurende vijf dagen, beter presteren dan een elektrode die afhankelijk was van een conventionele platinakatalysator.

"De volgende fase van dit onderzoek omvat de vereenvoudiging van de synthetische route om grootschalige synthese van de nanodeeltjes te vergemakkelijken, en exploitatie van andere katalytische systemen volgens dezelfde strategie, " zegt Zong.