Nanopartiklar som innehåller tre olika lager av material kan bidra till att öka prestanda för ett zink-luftbatteri, A*STAR -forskare har funnit.

Zink-luftbatterier är billiga, har en hög energitäthet, och håller mycket länge. Deras användning av en vattenbaserad elektrolyt gör dem säkrare än andra batterier, så de finns ofta i medicinska applikationer, såsom hörapparater och hjärtövervakningsanordningar.

Batteriets negativa elektrod innehåller zinkmetall, som ger upp elektroner när den reagerar med hydroxidjoner i elektrolyten. Dessa elektroner genererar en ström när de flödar till den positiva elektroden, där de reagerar med syre från luften för att producera fler hydroxidjoner.

Reaktionens tröghet med syre begränsar batteriets spänningsutmatning och dess prestanda vid hög ström. Att hitta en katalysator för att påskynda reaktionen kan ge högre effekt och energitäthet, öppnar ett bredare utbud av potentiella applikationer.

Yun Zong och Zhaolin Liu från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering och kollegor har utvecklat en nanopartikelkatalysator som kan passa räkningen. Partiklarna är 20–50 nanometer breda, med en koboltkärna innesluten av ett inre skal av koboltoxid, som är omgivet av ett yttre skal av pyrolyserad polydopamin (PPD), en form av kol "prickad" med kväveatomer. Dessa nanopartiklar är belagda på ett poröst kolstöd som fungerar som en elektrod. Deras struktur hjälper till att förhindra att de läcker ut kobolt eller klumpar ihop sig, och det skyddande yttre skalet gör också nanopartiklarna mer hållbara.

Dessa treskikts nanopartiklar omvandlade effektivt syre till hydroxid i ett enda steg. Teamet föreslår att kväveatomer i PPD -skalet hjälper till att locka till sig och göra syreatomer mer reaktiva på väg till katalytiskt aktiva platser i koboltoxiden och PPD. Under tiden, koboltkärnan och PPD -skalet hjälper elektroner att strömma effektivt till syreatomerna. I kontrast, liknande partiklar som endast innehåller kobolt och koboltoxid, eller PPD ensam, transformerat syre i en tvåstegsprocess som producerade hydroperoxid, en oönskad och frätande mellanprodukt.

Forskarna testade sin elektrod i ett zink-luftbatteri (se bild), och fann att den kunde producera en ström på fem milliampere per kvadratcentimeter elektrod vid 1,36 volt i fem dagar, överträffar en elektrod som förlitar sig på en konventionell platinakatalysator.

"Nästa steg i denna forskning inkluderar förenkling av den syntetiska vägen för att underlätta storskalig syntes av nanopartiklar, och utnyttjande av andra katalytiska system enligt liknande strategi, säger Zong.