Никель-цинковые (Ni-Zn) батареи являются перспективной технологией благодаря высокому выходному напряжению, высокой теоретической удельной энергии, высокой безопасности и низкой стоимости. Однако перезаряжаемые щелочные Ni-Zn батареи представляют собой сложную задачу, поскольку катодная побочная реакция выделения кислорода приводит к низкой энергоэффективности и плохой стабильности.
Недавно исследовательская группа под руководством профессора Ян Вэйшена и доктора Чжу Кайюэ из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук предложила создать дышащий воздухом катод, использующий побочную реакцию выделения кислорода (OER) в Ni-Zn батареях путем соединения электрокатализаторов для реакций восстановления кислорода (ORR) в катоде.
Эта новая батарея (Ni-ZnAB) продемонстрировала сверхдолгий срок службы и сверхвысокую энергоэффективность (85%), превосходящую Ni-Zn батареи и Zn-воздушные батареи.
Это исследование было опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition 27 марта.
Неизбежный ООР в процессе зарядки Ni-Zn снижает энергетическую эффективность и кулоновскую эффективность, что приводит к низким возможностям накопления и высвобождения энергии. Хотя ООР в катоде можно частично подавить, контролируя напряжение зарядки (но в ущерб емкости) и используя добавки к электролиту, эти стратегии, к сожалению, недостаточны для полного решения проблемы ООР в системе Ni-Zn.
В данной работе исследователи предложили использовать OER в Ni-Zn батареях путем подключения электрокатализаторов для ORR в катоде. Такой подход позволит использовать кислород, образующийся во время зарядки с помощью ООР, во время разряда, аналогично механизму дыхания воздухом.
В этих Ni-Zn батареях с катодом, дышащим воздухом (названных Ni-ZnAB батареями), ООР в катоде больше не является нежелательной побочной реакцией в процессе зарядки. Более того, кулоновские потери эффективности от гидроксида никеля могут быть компенсированы ОРР. По сравнению с обычными Ni-Zn батареями, новые Ni-ZnAB батареи продемонстрировали значительно улучшенную стабильность циклирования и энергоэффективность.
Благодаря стабилизирующему воздействию на электролит и электрод, Ni-ZnAB батарея карманного типа продемонстрировала отличную циклическую производительность в течение 100 часов с емкостью 45 мАч и средней энергетической эффективностью 85,1%, что указывает на потенциал Ni-ZnAB батареи для практического применения. Для дальнейшего улучшения стабильности циклирования была разработана формованная батарея Ni-ZnAB с богатым электролитом, которая обеспечила сверхвысокую стабильность в 500 циклов при энергоэффективности более 80%, что свидетельствует о значительном улучшении по сравнению с Ni-Zn.
«Наши результаты подчеркивают важность включения воздухопроницаемого катода в Ni-Zn элементы для улучшения их стабильности и энергоэффективности, а также демонстрируют потенциал Ni-ZnAB батарей в качестве ценного руководства для разработки высокостабильных Ni-Zn батарей», — сказал профессор Янг.
