Gli scienziati dell'Istituto di tecnologia di Pechino, dell'Università di Tsinghua e dell'Università normale di Harbin hanno proposto una strategia per comporre siti di metalli di transizione atomici per promuovere reazioni elettrochimiche lente - reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) e reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) - per ottenere velocità elevate, batterie zinco-aria ricaricabili di capacità e lunga durata per applicazioni pratiche. Credito:Bo-Quan Li, Beijing Institute of Technology
Le batterie ricaricabili zinco-aria, alimentate dall'ossidazione dello zinco con l'ossigeno dell'aria, offrono un'opzione di stoccaggio efficiente per l'energia rinnovabile, pulita e sicura. Le prestazioni della batteria, tuttavia, sono state ostacolate dalle lente reazioni elettrochimiche dell'ossigeno, un collo di bottiglia critico per il ridimensionamento e la commercializzazione.
Nel loro studio pubblicato su Particuology , un team di ricercatori in Cina ha progettato una strategia per migliorare le prestazioni della batteria che prevede l'aumento delle reazioni dell'ossigeno combinando due metalli di transizione per fornire un'elevata attività elettrocatalitica.
La maggior parte delle fonti di energia rinnovabile, compresa l'energia solare, mancano di stabilità a lungo termine e richiedono sistemi di accumulo di energia ad alta efficienza per integrarsi con la rete elettrica. Le batterie zinco-aria ricaricabili sono considerate buoni candidati per l'accumulo di energia di prossima generazione perché offrono un'altissima densità di energia teorica. Queste batterie assorbono dall'aria uno dei loro principali reagenti, l'ossigeno. Non contengono composti tossici e possono essere riciclati, smaltiti in sicurezza e ricaricati con nuovo zinco.
L'ostacolo risiede in un paio di reazioni elettrochimiche - reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) e reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) - che si verificano al catodo dell'aria durante la carica e la scarica della batteria.
"La cinetica redox per ORR e OER è molto lenta e rende grave polarizzazione, diminuzione dell'efficienza energetica e durata del ciclo limitata delle pratiche batterie zinco-aria ricaricabili", ha affermato l'autore dell'articolo Bo-Quan Li, professore associato presso l'Istituto di tecnologia di Pechino.
Affinché le batterie zinco-aria siano praticabili su larga scala, queste reazioni hanno bisogno di una spinta. Metalli nobili e metalli di transizione (nichel, cobalto, manganese e ferro) possono essere utilizzati per catalizzare la cinetica ORR e OER, ad esempio accelerando il trasferimento di elettroni tra elettrodo e reagenti. Queste tecniche funzionano, ma a un costo elevato.
"Gli elettrocatalizzatori a base di metalli nobili dimostrano un'attività elettrocatalitica all'avanguardia e fungono da parametri di riferimento ampiamente accettati", ha affermato Li. "Ma l'alto costo, la scarsità di terra e la scarsa durabilità ne ostacolano le applicazioni pratiche su larga scala."
In quanto tale, la continua ricerca di un'opzione ad alte prestazioni priva di metalli nobili che catalizza sia ORR/OER è di grande importanza per le pratiche batterie zinco-aria ricaricabili, ha affermato Li.
Studi precedenti hanno dimostrato che l'incorporamento di atomi di metalli di transizione in un substrato di carbonio conduttivo produce un'elevata attività elettrocatalitica a causa dell'efficienza atomica, della struttura elettronica unica e della diversità nella struttura chimica. Ma quale metallo funziona meglio sia per ORR che per OER?
Nel loro studio, il team di ricerca di Beijing Institute of Technology, Tsinghua University e Harbin Normal University si chiede:perché sceglierne solo uno?
"Un singolo tipo di sito attivo difficilmente può promuovere contemporaneamente la cinetica ORR e OER per fornire un'eccezionale attività elettrocatalitica bifunzionale", ha affermato Li. "La composizione di diversi siti attivi con la rispettiva attività elettrocatalitica è stata verificata come una strategia efficace per realizzare la multifunzionalità."
Il team di ricerca ha combinato due siti di metalli di transizione atomici - ferro atomico (Fe) e nichel atomico (Ni) - e ha incorporato il composito su un substrato di carbonio drogato con azoto (NC). Fe ha raggiunto un'elevata attività elettrocatalitica sulla riduzione dell'ossigeno, mentre Ni ha potenziato con successo l'evoluzione dell'ossigeno. Insieme, hanno realizzato elettrocatalizzatori altamente attivi in entrambe le reazioni.
"L'elettrocatalizzatore composito ha dimostrato un'eccezionale attività elettrocatalitica bifunzionale che supera l'elettrocatalizzatore a base di metalli nobili e la maggior parte degli elettrocatalizzatori bifunzionali riportati basati su siti attivi analoghi", ha affermato Li.
I ricercatori hanno dimostrato che le batterie zinco-aria ricaricabili dotate dell'elettrocatalizzatore FeNi-NC hanno raggiunto un'elevata densità di potenza di picco, elevate velocità di lavoro e una lunga durata.
Oltre a migliorare efficacemente le prestazioni della batteria, Fe e Ni sono alternative scalabili e convenienti agli elettrocatalizzatori di ossigeno di metalli nobili più costosi e più scarsi nelle batterie zinco-aria ricaricabili.
Il team di ricerca sta ora sviluppando tecniche per ottimizzare la configurazione dei siti dei metalli di transizione atomici e promuovere la stabilità del ciclo in condizioni di lavoro.
"L'obiettivo finale è quello di realizzare batterie zinco-aria ricaricabili ad alta velocità, alta capacità ea ciclo lungo per applicazioni pratiche", ha affermato Li. + Esplora ulteriormente
