Depositphotos
Исследователи из Технологического института Сибаура в Японии разработали недорогой катализатор без платины, который устраняет главную проблему литий-кислородных аккумуляторов.
Этот тип батарей обеспечивает в десять раз большую энергетическую плотность по сравнению со стандартными литий-ионными аккумуляторами. Ожидается, что в будущем эта технология обеспечит возможность дальних поездок на электромобилях и многочасовые непрерывные полёты дронов.
Однако коммерческое использование этих аккумуляторов задерживается из-за проблемы медленной реакции кислорода во время заряда-разряда. Из-за этой неэффективности происходит значительный расход энергии.
Такие дорогостоящие металлы, как платина и рутений, способны ускорить этот процесс, однако из-за их высокой стоимости массовое производство становится нецелесообразным. В новом исследовании команда учёных под руководством профессора Такахиро Исизаки из SIT разработала значительно более дешёвый гетероструктурный катализатор, который по своим характеристикам не уступает платине.
“Катализатор, не содержащий платины, позволит создавать электромобили со значительно большим запасом хода и дроны с более длительным временем полета, предлагая экономически эффективный и устойчивый путь к созданию систем хранения энергии следующего поколения”, — подчеркивают исследователи.
Стремясь решить проблему медленных реакций кислорода, команда под руководством профессора Ишизаки изучала возможность объединения двух различных материалов в единый композит. Речь шла о перовските и шпинельных оксидах.
Оба оксида уже известны как неплохие катализаторы каждый сам по себе. В ходе исследования ученые проверяли, позволит ли их объединение улучшить характеристики, которые превзойдут эффективность каждого материала в отдельности.
Исследователи выяснили, что объединение двух материалов позволило ускорить реакции восстановления кислорода и реакции выделения кислорода. В результате был достигнут рекордно низкий потенциальный разрыв между зарядом и разрядом, составивший всего 1,14 В. Меньший разрыв напряжения означает меньшие потери энергии.
Кроме того, синтезированные отдельные оксиды металлов и их композит были протестированы на эффективность в качестве катализаторов для батарей. Композит превзошел оба материала по отдельности. Он также превзошел коммерческий оксид рутения во время зарядки, а в ходе разрядки сравнялся с мощным платиновым катализатором.
Исследование физических свойств показало, что композит обладает наименьшей общей электрохимической площадью поверхности среди всех протестированных образцов. Обычно инженеры-разработчики аккумуляторов считают, что большая площадь поверхности обеспечивает лучшую производительность благодаря большему количеству реакционных центров.
Однако исследование японских ученых показало, что все как раз наоборот. Вместо простого количества каталитических частиц скорость реакции определяется качеством электронной структуры. Сочетание двух оксидов создало большое количество кислородных вакансий на молекулярном интерфейсе, сформировав электронный путь, по которому реакции с кислородом протекают без затруднений. Полученные результаты прокладывают путь для электромобилей и дронов со значительно увеличенной дальностью.
По словам профессора Ишизаки, ключевое и непосредственное применение полученных результатов заключается в разработке высокоэффективных воздушных катодов для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения. Они позволят увеличить запас хода электромобилей и создать летательные аппараты с увеличенной продолжительностью полета.
Экономичная конструкция делает этот тип аккумуляторов реальной альтернативой литий-ионным аккумуляторам, а также предлагает более дешевое и экологичное решение для производства чистого водорода, крупных металл-воздушных аккумуляторов и нового поколения систем хранения солнечной и ветровой энергии.
Источник: Interesting Engineering; SIT
Контент сайту призначений для осіб віком від 21 року. Переглядаючи матеріали, ви підтверджуєте свою відповідність віковим обмеженням.
Cуб'єкт у сфері онлайн-медіа; ідентифікатор медіа - R40-06029.