Китайські цинк-повітряні батареї на морській воді показали стабільну роботу понад 200 годин

Китайські вчені представили новий тип цинк-повітряних батарей, здатних стабільно працювати у морській воді до 200 годин. Розробка відкриває нові перспективи для автономних систем зберігання енергії, морської електроніки та офгрід-рішень, де використання прісної води утруднене або економічно недоцільне.

Проблема традиційних цинк-повітряних батарей

Цинк-повітряні батареї давно вважаються перспективними накопичувачами енергії завдяки високій питомій ємності та доступності матеріалів. Однак при використанні морської води як електроліт стандартні катоди на основі платинових каталізаторів (Pt/C) швидко деградують. Основна причина - іони хлору, які "отруюють" активні центри каталізатора і знижують ефективність реакції відновлення кисню.

Це обмежувало застосування морських цинк-повітряних батарей у реальних умовах, незважаючи на їх теоретичні переваги.

Новий каталізатор Cl–Fe–N₄: стійкість та висока ефективність

Дослідники із Центрального південного університету та Університету Сіань Цзяотун–Ліверпуль запропонували новий підхід до створення каталізаторів. Вони розробили універсальну технологію окисної полімеризації, що дозволяє формувати одиночні атоми заліза Fe–N₄ з осьовою координацією гетероатомів хлору чи сірки.

В результаті було створено каталізатор Cl–Fe–N₄ з пірамідальною структурою, який ефективно відштовхує хлорид-іони та одночасно прискорює електрохімічні реакції. Порівняно з комерційними Pt/C-катодами, швидкість реакції відновлення кисню збільшилася майже вдвічі.

Результати випробувань та ключові показники

Цинк-повітряна батарея на морській воді з каталізатором Cl–Fe–N₄ продемонструвала:

• щільність потужності 187,7 мВт/см² при струмі 245,1 мА/см²;

• стабільну циклічну роботу протягом 200 годин;

• граничну щільність струму 5,8 мА/см²;

• напівхвильовий потенціал 0,931 щодо RHE, що перевищує показники комерційних платинових каталізаторів

Додаткові електрохімічні та спектроскопічні дослідження підтвердили високу стійкість каталізатора до хлоридної дії.

Чому морські цинк-повітряні батареї перспективні

Використання морської води як електроліт дозволяє відмовитися від дефіцитних прісноводних ресурсів і робить технологію більш масштабованою. Такі батареї особливо актуальні для:

• морських датчиків та буйкових систем;

• автономних підводних апаратів;

• офгрід-енергопостачання прибережних об'єктів;

• енергетично ефективного опріснення води.

Дослідники також відзначають, що висока щільність струму при низькій перенапрузі дозволяє використовувати такі батареї для живлення мембранних насосів, знижуючи енергоспоживання опріснювальних систем приблизно на 30% в порівнянні з класичним зворотним осмосом.

Виробничий потенціал технології

Каталізатор виготовляється із застосуванням чорнила на водно-етанольній основі, а максимальна температура обробки не перевищує 1000 °C. Це робить технологію сумісною з рулонним виробництвом та існуючими лініями вуглецевих матеріалів, що є важливим для промислового впровадження.

Перспективи розвитку

Розробка китайських вчених демонструє, що навіть агресивне морське середовище може бути використане для ефективного накопичення енергії. Перетворення хлорид-іонів із проблеми на елемент управління характеристиками батареї відкриває шлях до створення стійких енергетичних систем нового покоління для морської та автономної енергетики.