Sekret tkwi w atomowej precyzji
Kluczem do sukcesu okazał się katalizator o nazwie CoFe-2DSA, stworzony przy użyciu innowacyjnej metody pirolizy w stopionej soli. Australijskim naukowcom udało się przekształcić trójwymiarowy materiał w niezwykle cienkie warstwy węglowe, a następnie precyzyjnie wprowadzić pojedyncze atomy kobaltu i żelaza.
Dzięki zaprojektowaniu kobaltu i żelaza jako pojedynczych atomów na szkielecie węglowym, osiągnęliśmy rekordową wydajność w akumulatorach cynkowo-powietrznych, pokazując, co jest możliwe, gdy katalizatory są projektowane z atomową precyzją – wyjaśnia Saeed Askari, główny autor badania
Czytaj też: Powstała kwantowa karta debetowa. Tych pieniędzy nie da się podrobić
Metoda pirolizy w stopionej soli znacząco zwiększyła porowatość materiału, co przełożyło się na większą powierzchnię aktywną. To właśnie ta modyfikacja umożliwiła stworzenie dwuwymiarowych nanostruktur, które radzą sobie znacznie lepiej niż dotychczasowe rozwiązania. Nowy katalizator osiąga parametry znacznie przewyższające komercyjne odpowiedniki. Testy wykazały potencjał półfali 0,886 V i nadpotencjał zaledwie 290 mV, co dało najniższą w branży lukę napięciową wynoszącą 0,634 V. To istotna poprawa w porównaniu z katalizatorami bazującymi na drogie platynie czy rutenie. Co ciekawe, sukces nie wynika z jednego czynnika, lecz z synergii między atomami kobaltu i żelaza połączonych z domieszkami azotu. Symulacje komputerowe potwierdziły, że taka konfiguracja znacząco poprawia transfer ładunku i optymalizuje kinetykę reakcji.
Czy to przełom w magazynowaniu energii?
Prototypowa bateria z nowym katalizatorem osiągnęła gęstość mocy 229,6 mW/cm², pojemność 811,5 mAh/g i gęstość energii 997 Wh/kg. Te wartości zbliżają się do teoretycznych limitów dla tego typu ogniw. Najbardziej imponująca jest jednak wytrzymałość, ponieważ urządzenie działało nieprzerwanie przez 74 dni, przechodząc przez 3552 cykle ładowania i rozładowania. Co ważne, przestało funkcjonować dopiero po całkowitym zużyciu anody cynkowej, podczas gdy sam katalizator zachował pełną aktywność.
Ciągłe działanie przez ponad dwa miesiące to kamień milowy w tej dziedzinie. Pokazuje to, że technologia ta jest gotowa do wyjścia poza laboratorium i zastosowań praktycznych – dodaje Parama Banerjee, współautorka badania
Czytaj też: Japończycy stworzyli technologię magazynowania wodoru. Rozwiązuje największy problem
Obecnie akumulatory cynkowo-powietrzne znajdują zastosowanie głównie w aparatach słuchowych, lecz nowa technologia może otworzyć możliwości wykorzystania w magazynowaniu energii na skalę przemysłową czy nawet w transporcie elektrycznym. Co ważne, zasady projektowania stojące za katalizatorem CoFe-2DSA mogą znaleźć zastosowanie również w innych obszarach, takich jak ogniwa paliwowe, systemy rozkładu wody czy technologie przekształcania dwutlenku węgla. To pokazuje, że australijskie odkrycie może mieć znacznie szersze implikacje dla czystych technologii energetycznych. Ale zanim tak się stanie konieczne będzie rozwiązanie kilku problemów. Zalicza się do nich skalowanie produkcji, obniżenie kosztów i zapewnienie długoterminowej stabilności w rzeczywistych warunkach.