Alternatywa dla akumulatorów litowo-jonowych to dziś konieczność
Gdy myślimy o magazynowaniu energii, to od razu przychodzą nam do głowy akumulatory litowo-jonowe. Ta technologia nie bez powodu zdominowała rynek, ale nadal ma swoje ograniczenia (wysokie koszty, problemy z trwałością i wyzwania związane z dostępnością surowców). Tymczasem od lat gdzieś w tle majaczy alternatywa, która teoretycznie mogłaby być pięciokrotnie wydajniejsza, tańsza i bezpieczniejsza. Mowa o akumulatorach cynkowo-powietrznych, które dotąd pozostawały raczej w sferze obietnic niż realnych rozwiązań.
Czytaj też: Twoje panele słoneczne się chowają. Tyle mocy i sprawności, że aż trudno w to uwierzyć
Wygląda na to, że sytuacja może się zmienić za sprawą pracy naukowców z Uniwersytetu Monash, bo opracowany przez nich katalizator CoFe-2DSA znacząco poprawia wydajność i żywotność akumulatorów metalowo-powietrznych, a w tym właśnie cynkowo-powietrznych. To niezwykle ważne, bo dotąd główną przeszkodą w rozwoju tej technologii była powolna chemia tlenu, która marnowała energię i skracała żywotność ogniw.
Dlaczego akumulatory cynkowo-powietrzne mają tak wielki potencjał?
Teoretyczne zalety akumulatorów cynkowo-powietrznych są niepodważalne. Cynk jest łatwo dostępny na całym świecie, relatywnie tani i co najważniejsze, jest również nietoksyczny. Problem z nimi zawsze jednak leżał w reakcjach tlenu, które stanowiły prawdziwe wąskie gardło. Redukcja tlenu podczas rozładowania i ewolucja tlenu podczas ładowania wymagają wydajnego katalizatora, którego akurat dotąd brakowało. Naukowcy uderzyli właśnie w ten problem, opracowując nowy dwu-metaliczny katalizator jednoatomowy, w którym to atomy kobaltu i żelaza są osadzone w ultracienkich, porowatych arkuszach węgla.
Czytaj też: Fotowoltaika wraca na nasz kontynent. W Hambach rusza produkcja paneli nowej generacji
Badania opublikowane w Chemical Engineering Journal pokazują, jak ta struktura rozwiązuje fundamentalne problemy. Co ciekawe, katalizator powstaje w procesie pirolizy wspomaganej stopioną solą, który przekształca trójwymiarową strukturę w dwuwymiarowe nanorkusze, zwiększając tym samym liczbę aktywnych miejsc katalitycznych i tworząc mikropory usprawniające transport gazów. Klucz do sukcesu leży w synergii dwóch metali, bo podczas gdy katalizatory jednometaliczne miały ograniczoną wydajność, połączenie kobaltu i żelaza daje efekt synergiczny znacznie zwiększający wydajność katalityczną.
Atomy tych metali, skoordynowane przez domieszki azotowe, optymalizują ścieżki reakcji i transfer elektronów. Obliczenia potwierdziły, że azot grafityczny wzmacnia przeniesienie ładunku, podczas gdy azot pirydynowy wpływa na akumulację ładunku i osłabienie wiązań metal-tlenowców. W praktyce wyniki są naprawdę imponujące, bo akumulator z katodą CoFe-2DSA osiągnął gęstość mocy na poziomie 229,6 mW/cm² i pojemność właściwą 811,5 mAh/g, co stawia ją w jednym rzędzie z najlepszymi akumulatorami litowo-jonowymi, ale przy znacznie niższych kosztach produkcji. Jeszcze bardziej przekonuje sama trwałość, bo system wytrzymał ponad 3500 cykli ładowania-rozładowania w ciągu 74 dni.
Co ciekawe, akumulator przestał działać nie z powodu degradacji katalizatora, ale całkowitego zużycia folii cynkowej w anodzie, co świadczy o wyjątkowej stabilności nowego materiału. Katalizator wykazał też doskonałą aktywność bifunkcyjną, osiągając parametry przewyższające komercyjne katalizatory platynowo-rutenowe, które są znacznie droższe. To otwiera drogę do szerszych zastosowań niż tylko akumulatory cynkowo-powietrzne. Zasady projektowania katalizatora CoFe-2DSA mogą znaleźć zastosowanie w innych technologiach czystej energii – od ogniw paliwowych przez rozszczepianie wody po systemy produkcji wodoru.
Czytaj też: Fotowoltaika przyszłości nie będzie bać się upałów. Nowa technologia wykorzystuje ciepło jako atut
Oczywiście, droga od laboratoryjnego sukcesu do komercjalizacji jest długa i wyboista. Historie technologii akumulatorowych pełne są obiecujących odkryć, które nigdy nie trafiły do masowej produkcji. Tym razem jednak wygląda to naprawdę solidnie. Jeśli uda się przełożyć te wyniki na skalę przemysłową, możemy stać przed prawdziwą zmianą paradygmatu w magazynowaniu energii. Nie twierdzę, że to rewolucja, ale na pewno krok w bardzo obiecującym kierunku.