Forskare från Beijing Institute of Technology, Tsinghua University och Harbin Normal University föreslog en strategi för att skapa atomära övergångsmetallplatser för att främja tröga elektrokemiska reaktioner – syreevolutionsreaktion (OER) och syrereduktionsreaktion (ORR) – för att uppnå höghastighets, hög- kapacitet och långvariga uppladdningsbara zink-luftbatterier för praktiska applikationer. Kredit:Bo-Quan Li, Beijing Institute of Technology
Uppladdningsbara zink-luftbatterier, som drivs av att oxidera zink med syre från luften, erbjuder ett effektivt lagringsalternativ för förnybar energi som är både ren och säker. Batteriprestanda har dock hämmats av långsamma elektrokemiska reaktioner med syre, en kritisk flaskhals för skalning och kommersialisering.
I deras studie publicerad i Particuology , utformade ett team av forskare i Kina en strategi för att förbättra batteriprestanda som innebär att syrereaktionerna ökar genom att kombinera två övergångsmetaller för att leverera hög elektrokatalytisk aktivitet.
De flesta förnybara energikällor, inklusive solenergi, saknar långsiktig stabilitet och kräver högeffektiva energilagringssystem för att integreras med elnätet. Uppladdningsbara zink-luft-batterier anses vara bra kandidater för nästa generations energilagring eftersom de fyller kraft med ultrahög teoretisk energitäthet. Dessa batterier drar en av sina huvudreaktanter, syre, från luften. De innehåller inga giftiga föreningar och kan återvinnas, kasseras på ett säkert sätt och laddas med ny zink.
Hindret ligger i ett par elektrokemiska reaktioner – syreutvecklingsreaktion (OER) och syrereduktionsreaktion (ORR) – som äger rum vid luftkatoden under batteriladdning och urladdning.
"Redoxkinetiken för ORR och OER är mycket trög och ger allvarlig polarisering, minskad energieffektivitet och begränsad cykellivslängd för praktiska uppladdningsbara zink-luftbatterier", säger pappersförfattaren Bo-Quan Li, docent vid Beijing Institute of Technology.
För att zink-luftbatterier ska vara livskraftiga i stor skala behöver dessa reaktioner ett uppsving. Ädelmetaller och övergångsmetaller (nickel, kobolt, mangan och järn) kan användas för att katalysera ORR- och OER-kinetik genom att till exempel accelerera överföringen av elektroner mellan elektrod och reaktanter. Dessa tekniker fungerar, men till en hög kostnad.
"Ädelmetallbaserade elektrokatalysatorer visar toppmodern elektrokatalytisk aktivitet och fungerar som allmänt accepterade riktmärken", säger Li. "Men de höga kostnaderna, jordbristen och dålig hållbarhet hindrar deras storskaliga praktiska tillämpningar."
Som sådan är det pågående sökandet efter ett högpresterande ädelmetallfritt alternativ som katalyserar både ORR/OER av stor betydelse för praktiska uppladdningsbara zink-luftbatterier, sa Li.
Tidigare studier har visat att inbäddning av övergångsmetallatomer i ett ledande kolsubstrat ger hög elektrokatalytisk aktivitet på grund av atomär effektivitet, unik elektronisk struktur och mångfald i kemisk struktur. Men vilken metall fungerar bäst för både ORR och OER?
I sin studie frågar forskargruppen från Beijing Institute of Technology, Tsinghua University och Harbin Normal University:varför välja bara en?
"En enda typ av aktiv plats kan knappast främja både ORR- och OER-kinetik samtidigt för att ge enastående bifunktionell elektrokatalytisk aktivitet," sa Li. "Att sammanställa olika aktiva platser med respektive elektrokatalytisk aktivitet har verifierats som en effektiv strategi för att realisera multifunktionalitet."
Forskargruppen kombinerade två atomära övergångsmetallplatser - atomärt järn (Fe) och atomärt nickel (Ni) - och bäddade in kompositen över ett kvävedopat kol (NC) substrat. Fe uppnådde hög elektrokatalytisk aktivitet på syrereduktion, medan Ni framgångsrikt ökade syreutvecklingen. Tillsammans realiserade de högaktiva elektrokatalysatorer i båda reaktionerna.
"Den sammansatta elektrokatalysatorn visade enastående bifunktionell elektrokatalytisk aktivitet som överträffar den ädelmetallbaserade elektrokatalysatorn och de flesta av de rapporterade bifunktionella elektrokatalysatorerna baserade på analoga aktiva ställen", sa Li.
Forskare visade att laddningsbara zink-luftbatterier utrustade med FeNi-NC elektrokatalysator uppnådde hög toppeffekttäthet, höga arbetshastigheter och lång livslängd.
Förutom att effektivt öka batteriprestanda är Fe och Ni kostnadseffektiva, skalbara alternativ till de dyrare och knappare syreelektrokatalysatorerna av ädelmetall i laddningsbara zink-luftbatterier.
Forskargruppen utvecklar nu tekniker för att optimera konfigurationen av atomära övergångsmetallplatser och främja cykelstabiliteten under arbetsförhållanden.
"Det slutliga målet är att realisera höghastighets-, högkapacitets- och långvariga uppladdningsbara zink-luft-batterier för praktiska tillämpningar," sa Li. + Utforska vidare
