Med den nyligen ökande utvecklingen av lättvikt, portabla, flexibel och bärbar elektronik för hälso- och biomedicinsk utrustning, det finns ett brådskande behov av att utforska nya kraftkällor med högre flexibilitet och anpassning av människan/vävnaden. Nu, forskare har konstruerat nästa generations metall-luftbatterier, som enkelt kan tillverkas i flexibla och armbandliknande celler. Även om de kräver ytterligare utveckling innan de är redo för marknaden, nuvarande studier har fastställt solida bevis på att dessa enheter kan ge enorma möjligheter för nästa generation av flexibla, bärbara och bioanpassningsbara kraftkällor.

"Teoretiskt sett neutrala elektrolytbaserade Mg-luftbatterier har potentiella fördelar i biomedicinska tillämpningar jämfört med andra alkalibaserade metallluftmotstånd, "säger Dr Chong Cheng, forskarassistent vid AvH och specialist på kolnanomaterial vid Institutionen för kemi vid Freie Universität Berlin (Tyskland). Dock, den konventionella tillämpningen av Mg-luftbatterier stod inför flera utmaningar, varav en är trög kinetik för syrereduktionsreaktionen (ORR) i luftkatoden. För närvarande, den rationella utformningen av avancerade syreelektroder för Mg-luftbatterier med hög urladdningsspänning och kapacitet under neutrala förhållanden är fortfarande en stor utmaning. Tills nu, forskare har inte insett den skalbara syntesen av kolbaserad syreelektrokatalysator integrerad med hög ORR -katalytisk aktivitet, öppna mesoporösa och sammankopplade strukturer, och 3D-porösa kanaler för luftkatoden.

För att övervinna den nuvarande begränsningen för trög reaktionskinetik för luftkatoder i Mg-luftbatterier, Dr Chong Cheng vid Freie Universität i Berlin och Dr Shuang Li vid Technische Universität Berlin uppnådde skalbar syntes av atomära Fe-Nx kopplade till öppna mesoporösa N-dopade kol-nanofibrer som avancerad syreelektrod för Mg-luftbatterier.

"Inspirerad av de fibrösa strängstrukturerna hos bufo-spawn, vi utformade en ny tillverkningsstrategi baserad på elektrospinning av polyakrylnitrilförgrenad kiseldioxid-nanoaggregatlösning och en sekundär beläggning och karbonisering av Fe-dopade zeolitiska imidazolatramar tunt lager, som ger de tillverkade kolnanofibrerna en öppen mesoporös struktur och homogent kopplade atomära Fe-Nx-katalytiska platser, "sa forskarna.

Den erhållna syreelektrokatalysatorn och den därmed konstruerade luftkatoden visar många fördelar, som inkluderar sammankopplade strukturer och 3D-hierarkiskt porösa nätverk för joner/luftdiffusion, bra bioanpassningsförmåga, och höga syreelektrokatalytiska prestanda för både alkaliska och neutrala elektrolyter. Viktigast, de sammansatta Mg-luftbatterierna med neutrala elektrolyter avslöjar hög öppen kretsspänning, stabila urladdningsspänningsplatåer, hög kapacitet, lång livslängd, och god flexibilitet.

Mg-luftbatterier är ännu inte redo för kommersiella elektroniska och biomedicinska enheter, men framtiden verkar lite närmare. "Vi tror att den här nya syreelektroden kan möta utmaningar och brådskande behov av effektiva luftkatoder i Mg-luftbatterier med neutrala elektrolyter, men mer arbete behövs fortfarande, "säger prof. Rainer Haag.