Графен сделал "дышащие" цинковые батареи многоразовыми

Перспективные батареи, по ёмкости в несколько раз опережающие литиевые, удалось сделать многоразовыми.

Учёные из Сиднейского и Наньянского университетов (Австралия и КНР соответственно) использовали новый катод на базе восстановленного оксида графена для создания многоразовой цинково-воздушной батареи. Новый накопитель показал ёмкость намного выше, чем у современных литиевых, и живучесть во многие десятки циклов. Вскоре эти показатели планируется существенно увеличить. Соответствующая статья опубликована в Advanced Materials.

Цинково-воздушные батареи используются по всему миру достаточно давно, благо имеют ряд преимуществ перед литийионными. Например, их ёмкость выше, в теории до пяти раз на единицу веса. В таких батареях используют окисление чистого цинка кислородом, который берётся из воздуха, поэтому их и называют дышащими. Таким образом, окислитель в массу батареи не входит, что резко увеличивает ёмкость на единицу веса. Однако для её перезарядки требуется электрокаталитически восстановить оксид цинка, что ранее практически не удавалось. Даже с такими обычно эффективными катализаторами, как платина и иридий, восстановление было недостаточно эффективным — и цинковые батареи оставались по существу одноразовыми.

В этот раз исследователи решили отойти от дорогих материалов. Они создали пластинки восстановленного оксида графена, который предварительно получили нагревом оксида графита и легировали атомами азота. На пластинки наносились наночастицы из аморфного (лишённого кристаллической решётки) Fe0.5 Co0.5 Ox, полученного из берлинской лазури. Для проверки возможностей катализатора на базе таких наночастиц их использовали на катоде специально созданной многоразовой цинково-воздушной батареи. Катализаторы успешно справились с восстановлением оксида цинка до чистого цинка. За 60 циклов ёмкость аккумулятора нового типа упала менее чем на 10%. Хотя это не так хорошо, как у серийных литиевых батарей, авторы отмечают, что их целью была демонстрация самой возможности новой схемы, которая на данный момент далека от полной оптимизации.

Зато в плане ёмкости новинка заметно превзошла литиевые аналоги. Экспериментальный образец продемонстрировал 756 миллиампер-часов на грамм цинка (окислитель в такой батарее берётся из воздуха, и в её массе поэтому не учитывается). Это соответствует 904 ватт-часам на килограмм, в то время как типичные литиевые батареи современности показывают лишь 200 ватт-часов на килограмм. Новинка к тому же обещает быть заметно дешевле — цинк более распространён в земной коре, чем литий, и менее пожароопасен, что упрощает изготовление систем на его основе.

Высокая ёмкость при умеренной цене может сделать новый аккумулятор полезным в целом ряде областей, например как источник питания для устройств, где можно менять батарейный блок по мере износа, но где при этом важна высокая удельная ёмкость. К ним могут относиться БПЛА и ряд носимых медицинских устройств. Если же разработчикам удастся поднять живучесть новинки до уровня литиевых аналогов, цинково-воздушные батареи способны сильно изменить все устройства и виды техники, что используют многоразовые аккумуляторы.