Изследователи от Технологичния институт Шибаура в Япония са разработили евтин катализатор без платина, който решава основен проблем с литиево-кислородните батерии.
Този тип батерия предлага десет пъти по-голяма енергийна плътност от стандартните литиево-йонни батерии. В бъдеще се очаква тази технология да позволи пътувания на дълги разстояния с електрически превозни средства и часове непрекъснат полет с дронове.
Търговското използване на тези батерии обаче е забавено поради проблем с бавната кислородна реакция по време на зареждане и разреждане. Тази неефективност води до значителна консумация на енергия.
Скъпи метали като платина и рутений могат да ускорят този процес, но високата им цена прави масовото производство непрактично. В ново проучване екип от учени, ръководен от професор Такахиро Ишизаки от SIT, е разработил значително по-евтин хетероструктурен катализатор, който съперничи на платината по производителност.
„Катализаторът без платина би могъл да даде възможност за значително по-дълъг пробег при електрическите превозни средства и дроновете с по-дълго време за полет, предлагайки печеливш и устойчив път към системите за съхранение на енергия от следващо поколение“, подчертават изследователите.
В стремежа си да се справи с проблема с бавните кислородни реакции, екип, ръководен от професор Ишизаки, проучи възможността за комбиниране на два различни материала в един композит: перовскитни и шпинелови оксиди.
И двата оксида сами по себе си вече са известни като ефективни катализатори. По време на проучването учените проверили дали комбинирането им би подобрило производителността им отвъд тази на всеки от материалите поотделно.
Изследователите установили, че комбинирането на двата материала ускорява реакциите на редукция на кислорода и отделянето на кислород. Това води до рекордно ниска потенциална разлика между заряда и разряда, достигаща само 1,14 V. По-ниската потенциална разлика означава по-ниски енергийни загуби.
Освен това, синтезираните отделни метални оксиди и техният композит бяха тествани за ефективност като катализатори за батерии. Композитът превъзхожда и двата материала поотделно. Той също така превъзхожда търговския рутениев оксид по време на зареждане и се представя на нивото на мощен платинен катализатор по време на разреждане.
Проучване на физичните свойства показва, че композитът има най-малката обща електрохимична повърхност от всички тествани проби. Инженерите, занимаващи се с батерии, обикновено смятат, че по-голямата повърхност осигурява по-добра производителност поради по-големия брой реакционни места.
Проучването на японските учени обаче показва, че е вярно точно обратното. Вместо просто броят на каталитичните частици, скоростта на реакцията се определя от качеството на електронната структура. Комбинацията от два оксида създава голям брой кислородни ваканции на молекулярния интерфейс, образувайки електронен път, който улеснява реакциите с кислорода. Тези резултати проправят пътя за електрическите превозни средства и дронове със значително увеличен пробег.
Според професор Ишизаки, ключовото и непосредствено приложение на получените резултати е разработването на високоефективни въздушни катоди за литиево-йонни батерии от следващо поколение. Те ще спомогнат за увеличаване на пробега на електромобилите и създаване на летателни апарати с удължена издръжливост на полета.
Евтината конструкция прави този тип батерия жизнеспособна алтернатива на литиево-йонните батерии и предлага по-евтино и по-екологично решение за производството на чист водород, мащабни метално-въздушни батерии и системи за съхранение на слънчева и вятърна енергия от следващо поколение.