Průlom v bateriích: Železný katalyzátor umožní levnější zinek-vzduchové články bez drahých kovů

Vědci z japonské univerzity Tohoku vyvinuli inovativní katalyzátor na bázi železa, který výrazně zlepšuje výkon zinek-vzduchových baterií. Tato technologie je považována za cenově dostupnější alternativu k lithium-iontovým systémům pro ukládání energie.

Vědci z japonské univerzity Tohoku vyvinuli inovativní katalyzátor na bázi železa, který výrazně zlepšuje výkon zinek-vzduchových baterií. Tato technologie je považována za cenově dostupnější alternativu k lithium-iontovým systémům pro ukládání energie. Tým se zaměřil na překonání klíčového omezení reakce redukce kyslíku (ORR), která je u zinek-vzduchových baterií pomalá a omezuje jejich celkový výkon.

Pro řešení tohoto problému vědci navrhli heterointerface kombinující oxid železitý (Fe2O3) a oxid samaritý (Sm2O3). Toto rozhraní změnilo chování elektronů na povrchu katalyzátoru, což pomohlo urychlit reakční kinetiku a zlepšit účinnost baterie. Katalyzátor oslabuje nadměrné vazby mezi železnými místy a hydroxylovými meziprodukty, což umožňuje hladší průběh reakce a snižuje jedno z hlavních úzkých hrdel v provozu zinek-vzduchových baterií. Oxid železitý byl zvolen pro svou hojnost, nízkou cenu a stabilitu v alkalickém prostředí, které je pro zinek-vzduchové baterie typické.

Nově vyvinuté rozhraní Fe2O3/Sm2O3 překonalo omezení běžných železných katalyzátorů, které trpí silnými interakcemi Fe-OH zpomalujícími uvolňování reakčních produktů. Přerozdělení náboje, hybridizace orbitalů a modulace spinu na rozhraní optimalizovaly chování katalyzátoru během redukce kyslíku. Díky tomu katalyzátor dosáhl rychlejší kinetiky ORR a lepší odolnosti ve srovnání s konvenčními přístupy, a to bez použití drahých ušlechtilých kovů, které se běžně používají ve vysoce výkonných katalyzátorech.

Materiál byl testován jak v kapalných, tak v flexibilních celopevných zinek-vzduchových bateriích. Kromě laboratorních měření vědci demonstrovali praktický provoz, kdy baterie napájela malou LED lampu a nabíjela chytrý telefon. Profesor Hao Li z Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) zdůraznil, že katalyzátor dosahuje vysoké aktivity ORR, zlepšené reakční kinetiky, vynikající odolnosti a špičkového výkonu v obou typech baterií.

Zinek-vzduchové baterie přitahují pozornost, protože využívají široce dostupné materiály a teoreticky mohou poskytovat vysokou energetickou hustotu. Na rozdíl od lithium-iontových baterií se spoléhají na kyslík z atmosféry jako součást elektrochemického procesu. Zlepšení výkonu katalyzátoru by mohlo pomoci učinit tuto technologii praktičtější pro reálné aplikace, včetně přenosné elektroniky, nositelných zařízení a velkokapacitních systémů pro ukládání energie. To by mohlo vést k dostupnějším a udržitelnějším technologiím čisté energie. Budoucí práce se zaměří na rozšíření strategie regulace spinu na rozhraní a prozkoumání, zda podobné přístupy mohou zlepšit i další technologie pro přeměnu a ukládání energie. Zjištění byla publikována v časopise Angewandte Chemie International Edition.