Новый катализатор на основе железа обещает революцию в аккумуляторах будущего

Катализатор на основе железа сделал цинк-воздушные батареи значительно эффективнее и долговечнее

Исследователи из Университета Тохоку в Японии создали новый катализатор на железной основе, который способен значительно повысить эффективность и долговечность цинк-воздушных аккумуляторов. Эти батареи рассматриваются как одни из наиболее многообещающих альтернатив литий-ионным аккумуляторам благодаря своей низкой стоимости, высокой безопасности и использованию доступных материалов.

Цинк-воздушные аккумуляторы отличаются от обычных литий-ионных тем, что они используют кислород из окружающего воздуха для генерации электроэнергии. Это позволяет им хранить больше энергии при меньших затратах на производство. Кроме того, цинк значительно дешевле лития и широко доступен по всему миру.

Тем не менее, у этой технологии на протяжении долгого времени существовала серьезная проблема. Для эффективного функционирования таких аккумуляторов необходимо быстрое протекание реакции восстановления кислорода — одного из основных процессов внутри батареи. Обычно для ускорения этой реакции используются дорогие катализаторы на основе платины и других редких металлов, что делает производство слишком затратным.

Японские исследователи решили преодолеть это ограничение, используя более доступные материалы. Они выбрали оксид железа (Fe2O3) — недефицитный, стабильный в щелочной среде и очень недорогой материал. Однако оксид железа сам по себе работает неэффективно: он слишком сильно связывает гидроксильные группы, не позволяя продуктам реакции своевременно высвобождаться, что «отравляет» катализатор и замедляет процесс. Чтобы преодолеть это ограничение, ученые искусственно создали гетероструктурный «интерфейс», объединив оксид железа (Fe2O3) с оксидом самария (Sm2O3). Это позволило оптимально ослабить избыточные связи между атомами железа и гидроксильными группами. В результате реакция прошла безбарьерно, а сам катализатор показал хорошую стабильность.

В результате новый материал проявил высокую активность, стабильную работу и отличную долговечность даже после длительных циклов заряда/разряда.

Разработку протестировали не только в лабораторных условиях, но и с помощью реальных устройств. Экспериментальные цинк-воздушные элементы питания успешно обеспечили работу светодиодной лампы и даже смогли полностью зарядить смартфон.

По словам профессора Университета Тохоку Хао Ли, новая технология значительно увеличивает эффективность цинк-воздушных батарей как в традиционном жидком исполнении, так и в современных гибких твердотельных вариантах.

Если технология будет успешно масштабирована для промышленного производства, такие аккумуляторы смогут найти применение в самых различных областях — от носимой электроники и мобильных устройств до крупных систем хранения энергии для солнечных и ветряных электростанций.

В будущем исследователи планируют применить тот же подход к другим типам аккумуляторов и энергетических систем. По их мнению, это может способствовать созданию более доступных, безопасных и экологически чистых способов хранения энергии, которые станут альтернативой современным литий-ионным технологиям.