Нові літій-кисневі акумулятори обіцяють електрокари для дальніх подорожей та дрони, що працюють цілодобово — Depositphotos

Дослідники з Технологічного інституту Сібаура в Японії розробили недорогий каталізатор без платини, який усуває головну проблему літій-кисневих акумуляторів.

Цей вид батарей пропонує у десятеро більшу щільність енергії за стандартні Li-ion. Очікується, що у майбутньому ця технологія забезпечуватиме можливість дальніх подорожей на електрокарах та багатогодинні безперервні польоти дронів.

Однак комерційне використання цих акумуляторів затримується через проблему повільних реакцій кисню під час заряджання-розряджання. Через цю неефективність відбувається значна витрата енергії.

Такі вартісні метали як платина та рутеній здатні прискорити цей процес, однак через їх високу вартість масове виробництво стає недоцільним. У новому дослідженні команда науковців під керівництвом професора Такахіро Ішизакі з SIT розробила значно дешевший гетероструктурний каталізатор, який за характеристиками не поступається платині.

“Каталізатор, що не містить платини, дозволить створювати електрокари зі значно більшим запасом ходу та дрони з довшою тривалістю польоту, пропонуючи економічно ефективний й стійкий шлях до створення систем зберігання енергії наступного покоління”, — підкреслюють дослідники.

Прагнучи розв’язати проблему повільних реакцій кисню, команда під керівництвом професора Ішізакі досліджувала можливість об’єднання двох різних матеріалів в єдиний композит. Це включало перовськіт та шпінельні оксиди.

Обидва оксиди вже відомі як непогані каталізатори кожен сам по собі. У дослідженні науковці перевіряли, чи дозволить їхнє об’єднання покращити характеристики, які перевищуватимуть ефективність кожного матеріалу окремо.

Дослідники з’ясували, що об’єднання двох матеріалів дозволило прискорити реакції відновлення кисню та реакції виділення кисню. Внаслідок цього був досягнутий рекордно низький потенційний розрив між зарядом та розрядом, що склав усього 1,14 В. Менший розрив напруги означає менші втрати енергії.

Крім того, синтезовані окремі оксиди металів та їхній композит були протестовані на ефективність як каталізатори для батарей. Композит перевершив обидва окремих матеріали. Він також перевершив комерційний оксид рутенію під час заряджання, а в ході розряджання зрівнявся з потужним платиновим каталізатором.

Дослідження фізичних властивостей продемонструвало, що композит має найменшу загальну електрохімічну площу поверхні серед всіх протестованих зразків. Зазвичай інженери-розробники акумуляторів вважають, що більша площа поверхні забезпечує кращу продуктивність внаслідок більшої кількості реакційних центрів.

Однак дослідження японських науковців продемонструвало, що все як раз навпаки. Замість простої кількості каталітичних частинок швидкість реакції визначається якістю електронної структури. Поєднання двох оксидів створило велику кількість кисневих вакансій на молекулярному інтерфейсі, сформувавши електронний шлях, яким реакції з киснем протікають без зусиль. Отримані результати прокладають шлях для електрокарів та дронів зі значно збільшеною дальністю.

За словами професора Ішізакі, ключове й безпосереднє використання отриманих результатів полягає у розробці високоефективних повітряних катодів для літій-іонних акумуляторів наступного покоління. Вони дозволять збільшити запас ходу електрокарів та створити літальні апарати зі збільшеною тривалістю польоту.

Економічна конструкція робить цей тип акумуляторів реальною альтернативою Li-ion, а також пропонує дешевше та екологічніше рішення для виробництва чистого водню, великих метал-повітряних акумуляторів та нового покоління систем зберігання сонячної та вітрової енергії.