Neuer Katalysator bringt kommerzielle Zink-Luft-Batterien mit hohem Wirkungsgrad in greifbare Nähe

05.06.2024

Die effektive Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen erfordert kosteneffiziente, wiederaufladbare Batterien mit hoher Kapazität. Zink-Luft-Batterien (Zinc-air batteries, ZAB) können theoretisch große Energiemengen speichern, aber die derzeitigen Technologien erfordern den Einsatz teurer Edelmetallkatalysatoren oder Mittel, die eine chemische Reaktion beschleunigen, die bei Lade- und Entladereaktionen unterdurchschnittlich sind. Es wurde ein neuer Metall-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysator für den Einsatz in ZABs entwickelt, der die Edelmetallkatalysatoren übertrifft und die Effizienz und Praktikabilität der ZAB-Technologie verbessert.

ZABs funktionieren durch die Oxidation von Zink mit Sauerstoff aus der Luft. Jüngste Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass ein Katalysator, der eine Kombination verschiedener Nicht-Edelmetall-Atome enthält, die Geschwindigkeit der Entladungsreaktionen und die Batterieleistung erhöhen kann. Vor diesem Hintergrund hat eine Gruppe von Forschern der Hunan University, des University College London und der University of Oxford einen Nichtedelmetall-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysator aus Eisen, Kobalt und Nickel (Fe, Co bzw. Ni) entwickelt, um die Lade- und Entladerate sowie die Kosteneffizienz von ZABs zu verbessern. Wichtig ist, dass das Team auch einen flexiblen Kohlenstoffpunkt/Polyvinylalkohol-Film (CD/PVA) als ZAB-Festkörperelektrolyt oder Batteriekomponente, die geladene Atome überträgt, optimiert hat, wodurch eine flexible und stabile Hochleistungsbatterie geschaffen wurde, die möglicherweise in tragbaren Geräten eingesetzt werden könnte. Das Team veröffentlichte seine Studie in der Zeitschrift Nano Research Energy am 17. Mai 2024.

"Wiederaufladbare Metall-Luft-Batterien sind vielversprechende Energiequellen, insbesondere Zink-Luft-Batterien (ZABs), die hohe theoretische Energiedichten (1084 Wh ^kg-1), Umweltfreundlichkeit und Kosteneffizienz bieten. Außerdem sind wiederaufladbare ZABs nicht nur sicher und stabil, sondern auch tragbar und tragbar. Die Forschung konzentriert sich derzeit auf wiederaufladbare und flexible ZABs", sagte Huanxin Li, Forschungsstipendiat am Fachbereich Chemie der Universität Oxford, Hauptautor der Studie und Leiter des Projekts.

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ZABs entladen und laden sich durch zwei Reaktionen: die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) bzw. die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Diese Reaktionen sind bekanntermaßen langsam und erfordern Katalysatoren, die die elektrochemische Reaktion beschleunigen, so genannte Elektrokatalysatoren. Zwar können Edelmetalle die ORR- und OER-Reaktion beschleunigen, aber Kostenprobleme, suboptimale Leistung und die Notwendigkeit, zwei verschiedene Edelmetalle zu verwenden, schränkten die Praxistauglichkeit der ZAB-Technologie insgesamt ein.

"Die Entwicklung kostengünstiger und effizienter bifunktionaler unedler Elektrokatalysatoren ist entscheidend für die Kommerzialisierung wiederaufladbarer ZABs. Unter den verschiedenen unedlen Katalysatoren haben Metall-Stickstoff-Kohlenstoff (M-N-C)-Nanomaterialien aufgrund ihres niedrigen Preises, ihrer reichlichen Reserven, ihrer ausgezeichneten elektrochemischen Aktivität und ihrer hohen Stabilität besondere Aufmerksamkeit auf sich gezogen", so Dr. Li.

Die Schaffung eines Elektrokatalysators, der aus drei verschiedenen Metallatomen besteht, ist jedoch aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkungskräfte, die mit jedem Metallatom auftreten, nicht trivial. Um dieses Problem zu lösen, verwendete das Team zeolithische Imidazolatgerüste (ZIFs), Kohlenstoff-Stickstoff-Gerüste, die jedes der drei Metallatome (Fe, Co und Ni) umgeben und anordnen, um die katalytischen Atome bei hoher Hitze gleichmäßig auf porösem Kohlenstoff zu verankern. Das Team bestätigte die Verteilung der Fe-, Co- und Ni-Atome durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX), sphärische aberrationskorrigierte ringförmige Hochwinkel-Dunkelfeld-Rastertransmissionselektronenmikroskopie (AC-HAADF-STEM) und Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS).

Insgesamt übertraf der ternäre Fe-Co-Ni-Elektrokatalysator die Bimetall-Elektrokatalysatoren (FeNi, FeCo und CoNi) sowie Platin und Ruthenium, zwei Edelmetall-Elektrokatalysatoren, bei der Sauerstoffreduktion und -entwicklung. Das Team geht davon aus, dass alle drei Metallatome des ternären Elektrokatalysators aktiv sind und zusammenwirken, um die katalytische Aktivität zu erhöhen, wobei Fe als das häufigste Atom am meisten zur Aktivität beiträgt. Die poröse Struktur und die vergrößerte Oberfläche des Elektrokatalysators tragen wahrscheinlich ebenfalls zu der erhöhten katalytischen Aktivität bei.

Insgesamt erreichte die wiederaufladbare ZAB des Teams eine spezifische Kapazität von 846,8 mAh-g ^Zn-1 und eine beeindruckende Leistungsdichte von 135 ^mW-cm-2 in flüssigem Elektrolyt. Mit dem optimierten CD/PVA-Festkörperelektrolyten des Teams erreicht das ZAB eine Leistungsdichte von 60 ^mW-cm-2, was die Ergebnisse von Festkörper-ZABs mit anderen Katalysatoren übertrifft.

Wichtig ist, dass der in der Studie entwickelte ZAB sowohl langlebig als auch stabil ist und in der Lage ist, einen Ventilator und einen LED-Bildschirm mit Strom zu versorgen und ein Mobiltelefon aufzuladen. Die Forscher hoffen, dass ihr ternärer Fe-Co-Ni-Elektrokatalysator und CD/PVA-Elektrolyt die Erforschung neuer Katalysatoren und Elektrolyte für praktische, leistungsstarke ZAB-Technologien anregen wird.

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Originalveröffentlichung

Shifeng Qin, Kaiqi Li, Mengxue Cao, Wuhua Liu, Zhongyuan Huang, Guanjie He, Ivan P. Parkin, Huanxin Li; "Fe-Co-Ni ternary single-atom electrocatalyst and stable quasi-solid-electrolyte enabling high-efficiency zinc-air batteries"; Nano Research Energy

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