Neuer Katalysator bringt kommerzielle hocheffiziente Zink-Luft-Batterien der Realität näher

Für die effektive Umstellung von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Energiequellen sind kostengünstige, wiederaufladbare Batterien mit hoher Kapazität erforderlich. Zink-Luft-Batterien (ZAB) können theoretisch große Energiemengen speichern, doch die aktuellen Technologien erfordern den Einsatz teurer Edelmetallkatalysatoren oder Mittel, die eine chemische Reaktion beschleunigen, die bei Lade- und Entladereaktionen jedoch nicht die erforderliche Leistung erbringen.

Für den Einsatz in ZABs wurde ein neuer Metall-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysator entwickelt, der Edelmetallkatalysatoren übertrifft und die Effizienz und Praktikabilität der ZAB-Technologie verbessert. ZABs funktionieren, indem sie Zink mit Sauerstoff aus der Luft oxidieren. Jüngste Forschungen haben gezeigt, dass ein Katalysator, der eine Kombination verschiedener Nichtedelmetallatome enthält, die Entladereaktionsrate und die Batterieleistung erhöhen kann.

Vor dem Hintergrund dieser Erkenntnisse entwickelte eine Gruppe von Forschern der Hunan University, des University College London und der University of Oxford einen Katalysator aus unedlen Metallen, Stickstoff und Kohlenstoff aus Eisen, Kobalt und Nickel (Fe, Co bzw. Ni), um das Laden, Entladen und die Kosteneffizienz von ZABs zu verbessern. Wichtig ist, dass das Team auch einen flexiblen Film aus Kohlenstoffpunkten/Polyvinylalkohol (CD/PVA) als festen ZAB-Elektrolyt oder Batteriekomponente, die geladene Atome überträgt, optimierte und so eine flexible und stabile Hochleistungsbatterie schuf, die möglicherweise in tragbaren Geräten eingesetzt werden könnte.

Das Team veröffentlichte seine Studie in der Zeitschrift Nano Forschung Energie am 17. Mai 2024 .

„Wiederaufladbare Metall-Luft-Batterien sind vielversprechende Energiequellen, insbesondere Zink-Luft-Batterien (ZABs), die eine hohe theoretische Energiedichte (1084 Wh kg−1), Umweltfreundlichkeit und Kosteneffizienz bieten. Darüber hinaus sind wiederaufladbare ZABs nicht nur sicher und stabil, sondern auch tragbar und tragbar. Ein erheblicher Forschungsschwerpunkt liegt derzeit auf wiederaufladbaren und flexiblen ZABs“, sagte Huanxin Li, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich Chemie der Universität Oxford, Hauptautor des Papiers und Leiter dieses Projekts.

ZABs werden durch zwei Reaktionen entladen und geladen: die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Diese Reaktionen sind bekanntermaßen langsam und erfordern Katalysatoren, die die elektrochemische Reaktion beschleunigen, oder Elektrokatalysatoren. Obwohl Edelmetalle die ORR und OER beschleunigen können, ist die allgemeine Praktikabilität der ZAB-Technologie aufgrund von Kostenproblemen, suboptimaler Leistung und der Notwendigkeit zweier verschiedener Edelmetalle begrenzt.

„Die Entwicklung kostengünstiger und effizienter bifunktioneller unedler Elektrokatalysatoren ist für die Kommerzialisierung wiederaufladbarer ZABs von entscheidender Bedeutung. Unter den verschiedenen unedlen Katalysatoren haben Metall-Stickstoff-Kohlenstoff-Nanomaterialien (MNC) aufgrund ihres niedrigen Preises, ihrer reichlichen Reserven, ihrer hervorragenden elektrochemischen Aktivität und ihrer hohen Stabilität besondere Aufmerksamkeit auf sich gezogen“, sagte Dr. Li.

Die Herstellung eines Elektrokatalysators aus drei verschiedenen Metallatomen ist jedoch keine triviale Angelegenheit, da bei jedem Metallatom unterschiedliche Wechselwirkungskräfte auftreten. Um dieses Problem zu lösen, verwendete das Team zeolithische Imidazolat-Gerüste (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 mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX), sphärisch aberrationskorrigierter Hochwinkel-Dunkelfeld-Rastertransmissionselektronenmikroskopie (AC-HAADF-STEM) und Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS).

Insgesamt übertraf der ternäre Fe-Co-Ni-Elektrokatalysator bei den Sauerstoffreduktions- und -entwicklungsreaktionen Bimetall-Elektrokatalysatoren (FeNi, FeCo und CoNi) sowie Platin und Ruthenium, zwei Edelmetall-Elektrokatalysatoren. Das Team ist der Ansicht, dass alle drei Metallatome des ternären Elektrokatalysators aktiv sind und zusammenarbeiten, um die katalytische Aktivität zu erhöhen, wobei Fe als am häufigsten vorkommendes Atom am meisten zur Aktivität beiträgt. Die poröse Struktur und die vergrößerte Oberfläche des Elektrokatalysators tragen wahrscheinlich ebenfalls zur erhöhten katalytischen Aktivität bei.

Insgesamt erreichte der wiederaufladbare ZAB des Teams eine spezifische Kapazität von 846,8 mAh·gZn−1 und eine beeindruckende Leistungsdichte von 135 mW·cm–2 im flüssigen Elektrolyten. Der ZAB erreicht außerdem eine Leistungsdichte von 60 mW·cm–2 unter Verwendung des optimierten CD/PVA-Festkörperelektrolyten des Teams, was die berichteten Ergebnisse von Festkörper-ZABs mit anderen Katalysatoren übertrifft.

Wichtig ist, dass der in der Studie entwickelte ZAB sowohl langlebig als auch stabil war und einen Ventilator und einen LED-Bildschirm mit Strom versorgen und ein Mobiltelefon aufladen konnte. Die Forscher hoffen, dass ihr ternärer Fe-Co-Ni-Elektrokatalysator und CD/PVA-Elektrolyt die Forschung nach neuen Katalysatoren und Elektrolyten für praktische, leistungsstarke ZAB-Technologien anregen werden.

Zu den weiteren Mitwirkenden gehören Shifeng Qin, Mengxue Cao und Zhongyuan Huang vom College of Chemistry and Chemical Engineering der Hunan University in Changsha, China; Kaiqi Li, Guanjie He und Ivan P. Parkin vom Department of Chemistry des University College London in London, Großbritannien; und Wuhua Liu von Guizhou Dalong Huicheng New Material Co., Ltd. in Tongren, China.