Будущее за электричеством. Но готовы ли мы осуществить полномасштабный переход на электрическую энергию? Одна вещь, стоящая на этом пути, – отсутствие более чистых и доступных аккумуляторных технологий для хранения энергии.
По сравнению с широко используемыми литий-ионными элементами, сталкивающимися с проблемами, связанными со стоимостью, ограниченностью ресурсов и проблемами безопасности, воздушно-цинковые аккумуляторы (ZAB) позиционируются как экономичные устройства хранения энергии и демонстрируют высокую плотность энергии, особенно в электромобилях.
Группа исследователей из Университета Эдит Коуэн (ECU), занимающаяся разработкой устойчивых аккумуляторных систем, нашла решение, позволяющее устранить существенные недостатки, связанные с воздушно-цинковыми батареями. В ходе исследования оценивалось использование воздушно-цинковых батарей с использованием сочетания менее дорогих, более безопасных и экологически доступных компонентов, что привело к увеличению срока службы и производительности.
«С появлением на рынке транспортных средств дальнего действия и электрических самолетов нового поколения растет потребность в более безопасных, более экономичных и высокопроизводительных аккумуляторных системах, которые могут превзойти возможности литий-ионных батарей», сказал руководитель проекта, профессор ECU, доктор Мухаммад Ризван Азхар.
Цинк-отрицательный электрод и воздушно-положительный электрод составляют воздушно-цинковую батарею. До сих пор их основным недостатком была низкая потребляемая мощность, что является следствием плохих характеристик воздушных электродов и короткого срока службы.
Благодаря открытию ЭБУ инженеры теперь могут восстанавливать воздушно-цинковые батареи, используя различные новые материалы, включая углерод, менее дорогое железо и минералы на основе кобальта.
Команда сочла необходимым создать долговечные бифункциональные воздушные электроды, которые проявляют сильную каталитическую активность для одновременных процессов выделения/восстановления кислорода для достижения высокой энергоэффективности в обоих направлениях. Этого удалось добиться с помощью нанокомпозита из двух гидрофобных тройных слоев CoNiFe.
«Новая конструкция оказалась настолько эффективной, что подавила внутреннее сопротивление батарей, а их напряжение было близко к теоретическому напряжению, что привело к высокой пиковой плотности мощности и сверхдлительной стабильности», сказал профессор Азхар.
Эти передовые воздушно-цинковые батареи также более жизнеспособны и экономически эффективны в долгосрочной перспективе, поскольку они производятся с использованием природных ресурсов, таких как воздух и цинк из Австралии. Помимо революции в индустрии хранения энергии, этот прорыв вносит значительный вклад в построение устойчивого общества, снижение зависимости от ископаемого топлива и смягчение воздействия на окружающую среду.
Поскольку мир изо всех сил пытается достичь целей Парижского климатического саммита по сдерживанию глобального повышения температуры до 1,5°C и ограничению глобальной концентрации CO2 в атмосфере до 450 ppm к 2050 году, устойчивые энергетические ресурсы могут сыграть важнейшую роль.
По мнению ученых, цинковые батареи, старейшая система хранения энергии, открывают большие перспективы для развития устойчивого общества. Такая технология должна иметь приоритет перед другими батареями из-за их низкой стоимости, экологичности, высокой теоретической плотности энергии и встроенной безопасности.
Воздушно-цинковые аккумуляторы (ZAB) являются экономичными устройствами хранения энергии и обладают высокой плотностью энергии. Для реализации высокой энергоэффективности в обоих направлениях крайне важно разработать долговечные бифункциональные воздушные электроды, обладающие высокой каталитической активностью в отношении реакций выделения/восстановления кислорода. Ученые сообщили о нанокомпозите на основе тройных двойных гидроксидов со слоями CoNiFe (LDH) и координированной кобальтом и легированной N пористой углеродной сетки (Co-N-C), полученной путем выращивания LDH in-situ на поверхности трехмерной пористой сети. Сеть Co-N-C способствует активности реакции восстановления кислорода, а CoNiFe-LDH придает активность реакции выделения кислорода. Богатые активные центры и улучшенные электронные и массопереносные свойства обусловлены их уникальной архитектурой и завершились выдающейся бифункциональной каталитической активностью в отношении выделения/восстановления кислорода в щелочных средах. В ZAB он демонстрирует высокую пиковую плотность мощности 228 мВт см-2 и низкий зазор напряжения 0,77 В в течение сверхдлительного срока службы 950 ч.
