Исследователи из Стэнфордского университета разработали новый тип воздушно-цинковых аккумуляторов, превосходящих по основным эксплуатационным характеристикам литий-ионные. Они способны запасать вдвое больше энергии на единицу объёма, отличаются повышенной безопасностью и долговечностью.

Одноразовые воздушно-цинковые элементы питания известны давно. Например, они используются в слуховых аппаратах, датчиках и другом маломощном оборудовании преимущественно медицинского назначения.

Главной проблемой при создании перезаряжаемых воздушно-цинковых элементов долгое время был выбор подходящего катализатора. В разных работах предлагались платина, иридий и их смеси с другими дорогостоящими металлами. Помимо удорожания батарей такие катализаторы снижали срок их службы, так как быстро загрязнялись продуктами реакции (каталитическими ядами).

Поиски материалов с относительно низкой себестоимостью, более высокой каталитической активностью и долговечностью продолжались годами.

Недавно группе исследователей из Стэнфордского университета удалось получить катализатор реакции восстановления кислорода с высокой активностью и долговечностью без использования дорогостоящих компонентов.

Перезаряжаемый воздушно-цинковый элемент питания с новым катализатором (фото: Yanguang Li / Stanford University)
Перезаряжаемый воздушно-цинковый элемент питания с новым катализатором (фото: Yanguang Li / Stanford University)

Предложенные катализаторы сделаны из оксида кобальта и ферромагнитного сплава никеля и железа. Для увеличения площади поверхности использованы периодические включения из углеродных нанотрубок.

В процессе питания нагрузки кислород из атмосферного воздуха вступает в реакцию с металлическим цинком в жидком щелочном электролите и накапливается оксид цинка. Во время перезарядки происходит обратный процесс – восстановление металлического цинка.

Сейчас на рынке прочно утвердились литий-ионные батареи. Их используют практически везде – от телефонов до электромобилей. Однако помимо высокой цены у литий-ионных аккумуляторов есть другие существенные недостатки.

Главные из них – невысокая удельная плотность энергии и опасность возгорания. Из-за дефектных батарей производители ноутбуков неоднократно отзывали большие партии своей продукции и несли огромные убытки.

В воздушно-цинковом аккумуляторе решены обе проблемы. Вероятность перегрева или взрыва для них практически полностью исключена. Поскольку кислород поступает из атмосферы, требуемый объём электролита сокращается. В результате удельная плотность энергии увеличивается примерно в два раза по сравнению с литий-ионным аккумулятором.

Долговечность новых многоразовых элементов питания пока под вопросом, но первые результаты испытаний обнадёживают. В ранних экспериментах они выдерживали порядка трёх тысяч циклов «заряд-разряд».