Практическое применение цинково-воздушных батарей по-прежнему ограничено медленной электрохимией кислорода на воздушном электроде.
Китайские исследователи разработали новые цинк-воздушные батареи, которые обеспечивают стабильную работу в режиме заряда-разряда более 1100 часов.
Разработанные исследователями из Университета Дунхуа и сотрудничающих учреждений, прототипы гибких батарей демонстрируют высокую механическую прочность, сохраняя работоспособность при многократном изгибе.
Исследователи представили катализатор на основе гетероперехода ap–n, который сочетает в себе графитовый нитрид углерода с сетью углеродных нановолокон, содержащей два активных центра кобальта.
Продвижение цинк-воздушных батарей к практическому применению.
Исследовательская группа отметила, что под воздействием светового излучения катализатор значительно ускоряет реакции восстановления и выделения кислорода, что приводит к повышению удельной мощности, улучшению энергоэффективности и беспрецедентной стабильности циклической работы как в жидкостных, так и в гибких цинк-воздушных батареях.
Данное исследование предлагает универсальную стратегию для продвижения цинк-воздушных батарей к практическому применению, включая крупномасштабные системы хранения энергии, носимую электронику и системы электроснабжения с использованием солнечной энергии. Благодаря использованию света для усиления электрохимических процессов с кислородом, этот подход снижает потери энергии и продлевает срок службы устройств без использования драгоценных металлов.
Цинково-воздушные батареи обладают высокой теоретической плотностью энергии.
Исследователи также подчеркнули, что цинк-воздушные батареи обладают высокой теоретической плотностью энергии, внутренней безопасностью и доступностью сырья, что делает их привлекательными для крупномасштабного хранения энергии и гибкой электроники. Однако их практическое применение по-прежнему ограничено медленной электрохимией кислорода на воздушном электроде, что приводит к высоким перенапряжениям, ограниченной плотности мощности и быстрому ухудшению характеристик.
В исследовании, опубликованном в журнале eScience, ключевое новшество заключается в рациональной интеграции фотоактивности и электрокатализа в рамках единой архитектуры воздушного электрода. Катализатор состоит из нанолистов графитового нитрида углерода, соединенных с самоподдерживающимся каркасом из углеродных нановолокон, содержащим два комплементарных активных центра кобальта: наночастицы кобальта, инкапсулированные в углеродные нанотрубки, и атомарно диспергированные фрагменты Co–N₄. Согласно исследованию, такая конструкция образует гетеропереход p–n типа II, который способствует направленному переносу заряда при воздействии света.
При освещении фотогенерированные электроны мигрируют к проводящему углеродному каркасу, приводя в действие реакцию восстановления кислорода, в то время как дырки способствуют реакции выделения кислорода на соседних участках. Такое пространственное разделение подавляет рекомбинацию зарядов и снижает энергетические барьеры реакции. Электрохимические измерения показывают удивительно малую разницу перенапряжений реакции восстановления кислорода, составляющую 0,684 В при освещении, что превосходит показатели многих современных бифункциональных катализаторов.
При использовании в практичных цинк-воздушных батареях фотоэлектрическая система достигает пиковой плотности мощности 310 мВт·см⁻² и обеспечивает стабильную работу в режиме заряда-разряда более 1100 часов.
В ходе исследования ученые также подчеркнули, что гибкие цинк-воздушные батареи с улучшенным светопропусканием могут достигать пиковой плотности мощности 96 мВт·см−2 и выдерживать широкий диапазон углов изгиба (0°–180°–0°) в условиях жесткой эксплуатации. Эта работа предлагает новую платформу для проектирования эффективных фотоэлектрокатализаторов и развития систем преобразования солнечной энергии в электрохимическую следующего поколения.
Помимо цинково-воздушных батарей, продемонстрированные здесь принципы проектирования могут быть применены к другим металл-воздушным батареям и фотоэлектрохимическим системам. В более широком смысле, эта работа указывает на перспективный путь интеграции солнечной энергии непосредственно в электрохимические системы хранения энергии, потенциально преодолевая разрыв между сбором возобновляемой энергии и эффективным использованием энергии, считают исследователи.
Sourse: interestingengineering.com
