Nieuwe katalysator brengt commerciële zink-luchtbatterijen met hoog rendement dichter bij de realiteit

De effectieve omschakeling van op fossiele brandstoffen gebaseerde naar hernieuwbare energiebronnen vereist kostenefficiënte, oplaadbare batterijen met hoge capaciteit. Zink-luchtbatterijen (ZAB) kunnen theoretisch grote hoeveelheden energie opslaan, maar de huidige technologieën vereisen het gebruik van dure edelmetaalkatalysatoren, of middelen die een chemische reactie versnellen, die ondermaats presteren bij laad- en ontlaadreacties.

Er is een nieuwe metaal-stikstof-koolstof-katalysator ontwikkeld voor gebruik in ZAB’s die beter presteren dan edelmetaalkatalysatoren, waardoor de efficiëntie en bruikbaarheid van de ZAB-technologie worden verbeterd. ZAB’s functioneren door zink te oxideren met zuurstof uit de lucht. Recent onderzoek heeft aangetoond dat een katalysator die een combinatie van verschillende niet-edelmetaalatomen bevat, de snelheid van ontladingsreacties en de prestaties van de batterij zou kunnen verhogen.

Met dit bewijsmateriaal in het achterhoofd heeft een groep onderzoekers van Hunan University, University College London en de University of Oxford een niet-edelmetaal-stikstof-koolstof-katalysator ontwikkeld uit ijzer, kobalt en nikkel (respectievelijk Fe, Co en Ni) om de het laden, ontladen en de kostenefficiëntie van ZAB’s. Belangrijk is dat het team ook een flexibele carbon dot/polyvinylalcohol (CD/PVA)-film heeft geoptimaliseerd als een solid-state ZAB-elektrolyt, of batterijcomponent die geladen atomen overdraagt, waardoor een flexibele en stabiele, krachtige batterij ontstaat die mogelijk kan worden gebruikt in draagbare apparaten.

Het team publiceerde hun onderzoek in het tijdschrift Nano-onderzoeksenergie op 17 mei 2024.

“Oplaadbare metaal-luchtbatterijen zijn veelbelovende energiebronnen, vooral zink-luchtbatterijen (ZAB’s) die een hoge theoretische energiedichtheid bieden (1084 Wh kg⁻¹), milieuvriendelijkheid en kosteneffectiviteit. Bovendien zijn oplaadbare ZAB’s niet alleen veilig en stabiel, maar ook draagbaar en draagbaar. Significant onderzoek is momenteel gericht op oplaadbare en flexibele ZAB’s”, zegt Huanxin Li, research fellow bij de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Oxford, senior auteur van het artikel en leider van dit project.

ZAB’s ontladen en laden op via twee reacties: respectievelijk de zuurstofreductiereactie (ORR) en de zuurstofontwikkelingsreactie (OER). Deze reacties zijn notoir langzaam en vereisen katalysatoren die de elektrochemische reactie versnellen, oftewel elektrokatalysatoren. Hoewel edelmetalen de ORR en OER kunnen versnellen, beperkten problemen met de kosten, suboptimale prestaties en de vereiste van twee verschillende edelmetalen de algehele bruikbaarheid van de ZAB-technologie.

“Het ontwikkelen van goedkope en efficiënte bifunctionele niet-edele elektrokatalysatoren is cruciaal voor de commercialisering van oplaadbare ZAB’s. Van de verschillende niet-edele katalysatoren hebben metaal-stikstof-koolstof (MNC) nanomaterialen bijzondere aandacht getrokken vanwege hun lage prijs en overvloedige reserves, uitstekende elektrochemische activiteit en hoge stabiliteit”, aldus Dr. Li.

Het creëren van een elektrokatalysator bestaande uit drie verschillende metaalatomen is echter geen triviale zaak, vanwege de verschillende interactiekrachten die optreden bij elk metaalatoom. Om dit probleem aan te pakken, gebruikte het team zeolitische imidazolaatraamwerken (ZIF’s), koolstof-stikstofraamwerken die elk van de drie metaalatomen (Fe, Co en Ni) omringen en rangschikken, om de katalytische atomen bij hoge hitte uniform aan poreuze koolstof te verankeren.

Het team bevestigde de verdeling van de Fe-, Co- en Ni-atomen via energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDX), voor sferische aberratie gecorrigeerde hoge hoek ringvormige donkerveld scanning transmissie-elektronenmicroscopie (AC-HAADF-STEM) en elektronenenergie verliesspectroscopie (EELS).

Over het geheel genomen presteerde de ternaire Fe-Co-Ni-elektrokatalysator beter dan bimetaal-elektrokatalysatoren (FeNi, FeCo en CoNi) en platina en ruthenium, twee edelmetaal-elektrokatalysatoren, in de zuurstofreductie- en evolutiereacties. Het team is van mening dat alle drie de metaalatomen van de ternaire elektrokatalysator actief zijn en samenwerken om de katalytische activiteit te verhogen, waarbij Fe het meest bijdraagt ​​aan de activiteit als het meest voorkomende atoom. De poreuze structuur en het grotere oppervlak van de elektrokatalysator dragen waarschijnlijk ook bij aan de verbeterde katalytische activiteit.

In totaal behaalde de oplaadbare ZAB van het team een ​​specifieke capaciteit van 846,8 mAh·g_Zn⁻¹ en een indrukwekkende vermogensdichtheid van 135 mW·cm^–2 in vloeibare elektrolyt. Bovendien bereikt de ZAB een vermogensdichtheid van 60 mW·cm^–2 met behulp van de geoptimaliseerde CD/PVA-vastestofelektrolyt van het team, die de gerapporteerde resultaten van vastestof-ZAB’s met andere katalysatoren overtreft.

Belangrijk is dat de in het onderzoek ontwikkelde ZAB zowel duurzaam als stabiel was en in staat was een ventilator en een LED-scherm van stroom te voorzien en een mobiele telefoon op te laden. De onderzoekers hebben goede hoop dat hun ternaire Fe-Co-Ni-elektrokatalysator en CD/PVA-elektrolyt het onderzoek naar nieuwe katalysatoren en elektrolyten voor praktische, hoogwaardige ZAB-technologieën zullen stimuleren.

Andere bijdragen zijn onder meer Shifeng Qin, Mengxue Cao en Zhongyuan Huang van het College of Chemistry and Chemical Engineering aan de Hunan Universiteit in Changsha, China; Kaiqi Li, Guanjie He en Ivan P. Parkin van de afdeling scheikunde aan het University College London in Londen, VK; en Wuhua Liu van Guizhou Dalong Huicheng New Material Co., Ltd, in Tongren, China.