Καθώς ο κόσμος αγωνίζεται να απαλλαγεί από τον άνθρακα, η αποθήκευση καθαρής ενέργειας γίνεται η κεντρική πρόκληση. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, το τρέχον «άλογο εργασίας» των ηλεκτρικών οχημάτων και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, φτάνουν στα όριά τους.
Oι μπαταρίες μετάλλου αέρα
Είναι ακριβές, φθείρονται με την πάροδο του χρόνου και δεν μπορούν πάντα να παρέχουν την εμβέλεια ή τη σταθερότητα που απαιτείται για εφαρμογές μεγάλης κλίμακας.
Οι μπαταρίες μετάλλου-αέρα, από την άλλη πλευρά, συχνά περιγράφονται ως ένα βήμα πέρα από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, επειδή θεωρητικά μπορούν να αποθηκεύσουν πολύ περισσότερη ενέργεια. Η υπόσχεσή τους τις έχει κάνει ελκυστικές για ηλεκτρικά οχήματα, αεροδιαστημικά συστήματα και αποθήκευση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Αλλά η αργή χημεία οξυγόνου παρέμεινε ένα επίμονο εμπόδιο, σπαταλώντας ενέργεια και μειώνοντας τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Η μοναδική δισδιάστατη δομή ενισχύει τις αντιδράσεις οξυγόνου
Οι επιστήμονες θεωρούν εδώ και καιρό τις αντιδράσεις οξυγόνου, την αντίδραση αναγωγής οξυγόνου (ORR) κατά την εκφόρτιση και την αντίδραση έκλυσης οξυγόνου (OER) κατά τη φόρτιση, ως τα μεγαλύτερα εμπόδια για την τεχνολογία μετάλλου-αέρα.
Χωρίς έναν γρήγορο, ανθεκτικό καταλύτη για την οδήγηση αυτών των διαδικασιών, οι μπαταρίες χάνουν την αποδοτικότητά τους και φθείρονται γρήγορα. Για να αντιμετωπίσουν αυτήν την πρόκληση, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Monash ανέπτυξαν έναν νέο καταλύτη που θα μπορούσε να βελτιώσει δραματικά την απόδοση και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών μετάλλου-αέρα, μια τεχνολογία που θεωρείται κλειδί για την αποθήκευση καθαρής ενέργειας.
Η ομάδα του Τμήματος Χημικής και Βιολογικής Μηχανικής δημιούργησε το CoFe-2DSA, έναν μονοατομικό καταλύτη διπλού μετάλλου κατασκευασμένο από κοβάλτιο και σίδηρο ενσωματωμένο σε εξαιρετικά λεπτά, πορώδη φύλλα άνθρακα. Αυτοί οι καταλύτες επιταχύνουν τις αντιδράσεις οξυγόνου που συνήθως επιβραδύνουν την απόδοση της μπαταρίας.
Σε δοκιμές, οι μπαταρίες που χρησιμοποιούν CoFe-2DSA πέτυχαν υψηλότερη αποθήκευση ενέργειας, μεγαλύτερη ισχύ εξόδου και αξιοσημείωτη σταθερότητα σε χιλιάδες κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης.
«Αυτοί οι καταλύτες όχι μόνο λύνουν ένα βασικό εμπόδιο για τις μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα, αλλά οι αρχές σχεδιασμού τους μπορούν να εφαρμοστούν σε άλλες τεχνολογίες καθαρής ενέργειας - από κυψέλες καυσίμου έως τη διάσπαση του νερού», δήλωσε ο Δρ. Parama Chakraborty Banerjee.
Αυτή η ευρεία συνάφεια είναι κρίσιμη, επειδή οι ανακαλύψεις στον σχεδιασμό καταλυτών συχνά διαπερνούν πολλαπλές τεχνολογίες καθαρής ενέργειας. Ένα υλικό που λειτουργεί για μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα μπορεί επίσης να βρει εφαρμογές σε ηλεκτρολύτες, κυψέλες καυσίμου ή ακόμα και συστήματα παραγωγής υδρογόνου.
Ο νέος καταλύτης CoFe-2DSA ξεπερνά αυτά τα όρια μέσω μιας μοναδικής δομής. Χρησιμοποιώντας πυρόλυση με τηγμένο άλας, οι ερευνητές μετέτρεψαν ένα τρισδιάστατο πλαίσιο κοβαλτίου-σιδήρου σε δισδιάστατα νανοφύλλα, εκθέτοντας περισσότερες ενεργές θέσεις και δημιουργώντας μικροπόρους που βελτιώνουν τη μεταφορά φορτίου και μάζας.
Μακράς διάρκειας απόδοση επιβεβαιωμένη σε δοκιμές ψευδαργύρου-αέρα
Αυτή η δομική μετατόπιση είναι κάτι περισσότερο από απλώς αισθητική - παρέχει μια τεράστια επιφάνεια για αντιδράσεις και διασφαλίζει ότι τόσο τα άτομα κοβαλτίου όσο και τα άτομα σιδήρου χρησιμοποιούνται αποτελεσματικά σε ατομικό επίπεδο. Στην πράξη, αυτό σημαίνει λιγότερη σπατάλη υλικού και πιο αποτελεσματική μετατροπή ενέργειας.
Οι δοκιμές έδειξαν ότι ως κάθοδος μπαταρίας ψευδαργύρου-αέρα, το CoFe-2DSA πέτυχε πυκνότητα ισχύος 229,6 mW/cm², ειδική χωρητικότητα 811,5 mAh/g και κυκλοποιήθηκε για πάνω από 3.500 κύκλους σε 74 ημέρες. Οι υπολογισμοί της Θεωρίας Συναρτησιακής Πυκνότητας επιβεβαίωσαν ότι τα άτομα κοβαλτίου και σιδήρου, συντονισμένα μέσω προσμίξεων αζώτου, βελτιστοποιούν τις οδούς αντίδρασης και τη μεταφορά ηλεκτρονίων, εξηγώντας την υψηλή απόδοση.
Επιζώντας σε περισσότερους από 3.500 κύκλους, το υλικό έδειξε έναν ασυνήθιστα υψηλό βαθμό ανθεκτικότητας για αυτήν την κατηγορία μπαταριών, οι οποίες συχνά μαστίζονται από την ταχεία εξασθένιση της χωρητικότητας. Αυτό το επίπεδο σταθερότητας καθιστά τον καταλύτη ιδιαίτερα ελκυστικό για αποθήκευση δικτύου, όπου τα συστήματα πρέπει να λειτουργούν αξιόπιστα για χρόνια.
Η ανακάλυψη υπογραμμίζει τις δυνατότητες των διμεταλλικών μονοατομικών καταλυτών στην αποθήκευση ενέργειας επόμενης γενιάς.
Συνδυάζοντας υψηλή αγωγιμότητα, πρόσμιξη αζώτου και μια δισδιάστατη πορώδη αρχιτεκτονική, το CoFe-2DSA θα μπορούσε να φέρει τις μπαταρίες μετάλλου-αέρα πιο κοντά σε πρακτικές εφαρμογές υψηλής απόδοσης.
www.worldenergynews.gr
