Учёные Университета Тохоку сообщили о катализаторе на основе железа для перезаряжаемых цинк-воздушных аккумуляторов. Разработка должна снизить зависимость от платины и других дорогих металлов в одном из самых проблемных узлов таких батарей, реакции восстановления кислорода. Если результат удастся перенести из лаборатории в массовое производство, технология получит шанс выйти за пределы нишевых применений.
Цинк-воздушные элементы используют кислород из окружающего воздуха, поэтому теоретически могут обеспечить более высокую удельную энергию, чем обычные литий-ионные ячейки, при более дешёвом наборе материалов. Практическое ограничение известно давно: для быстрой кислородной реакции обычно нужны катализаторы на основе платины, а они резко увеличивают себестоимость. Перезаряжаемые Zn-air системы по этой причине много лет остаются скорее направлением исследований, чем массовым продуктом.
Японская группа взяла оксид железа Fe₂O₃, который дёшев, химически устойчив в щелочной среде и не относится к дефицитным материалам. Проблема в том, что такой материал слишком сильно удерживает промежуточные продукты реакции и теряет активность. Исследователи обошли это ограничение, сформировав гетероструктуру с оксидом самария Sm₂O₃. На границе двух оксидов связь с гидроксильными группами ослабляется, поэтому реакция идёт быстрее, а катализатор меньше деградирует.
Авторы проверили эффект не только расчётами, но и на опытных элементах. Батареи со связкой Fe₂O₃/Sm₂O₃ после серии циклов сохранили рабочие характеристики, смогли питать светодиодную лампу и зарядить смартфон. По словам профессора Хао Ли, подход применим и к классическим жидким цинк-воздушным аккумуляторам, и к гибким твердотельным версиям, которые рассматривают для носимой электроники.
Интерес к таким системам растёт на фоне поиска альтернатив литий-ионной химии для стационарного хранения энергии. По оценке IEA, мировой рынок батарейных систем для электросетей продолжает расти двузначными темпами, а конкуренция идёт уже не только между литий-железо-фосфатом и натрий-ионными ячейками. У Zn-air есть сильный аргумент в цене сырья: цинк давно выпускают в массовых объёмах, а одноразовые воздушно-цинковые батарейки уже много лет применяются, например, в слуховых аппаратах. Ответ на главный вопрос, насколько новая схема масштабируема, появится после испытаний полноразмерных ячеек и ресурса в сотни и тысячи циклов.