Учёные из Университета Монаша в Мельбурне представили разработку, которая может изменить подход к хранению чистой энергии. Им удалось создать рекордный цинк-воздушный элемент, использовав термообработанные трёхмерные материалы и введение атомов кобальта на уровне кристаллической решётки. Новый катализатор продемонстрировал характеристики, превосходящие коммерческие образцы на основе дорогостоящих металлов, таких как платина и рутений.
Команда под руководством старшего преподавателя кафедры химической и биологической инженерии Парамы Банерджи и аспиранта Саида Аскари применила нагрев, чтобы превратить объёмный материал в ультратонкие углеродные листы. В их структуру были встроены отдельные атомы кобальта и железа. Такая атомарная инженерия обеспечила высокую скорость переноса заряда и устойчивое функционирование системы на протяжении тысяч циклов.
Цинк-воздушные аккумуляторы представляют собой электрохимические ячейки, в которых цинковый анод взаимодействует с кислородом из воздуха. Они отличаются высокой энергоёмкостью, доступностью сырья и экологичностью, что делает их перспективными для применения в портативной электронике, электротранспорте и системах хранения возобновляемой энергии. Основные препятствия для их массового внедрения — ограниченная мощность и нестабильность при многократной зарядке и разрядке.
Австралийские инженеры сумели преодолеть эти барьеры. Их прототип выдержал 3570 циклов зарядки и разрядки, сохраняя стабильные характеристики в течение 74 дней непрерывных испытаний. Устройство обеспечило удельную мощность 229,6 милливатта на квадратный сантиметр и энергоёмкость 997 ватт-часов на килограмм. Для сравнения: большинство существующих цинк-воздушных систем не демонстрировали такой продолжительной и надёжной эксплуатации.
Аскари подчеркнул, что использование пар атомов кобальта и железа в сочетании с азотными добавками решает одну из ключевых проблем перезаряжаемых цинк-воздушных элементов, обеспечивая оптимальную кинетику реакций. Банерджи добавила, что батарея проработала более двух месяцев без серьёзной деградации параметров, что стало важным шагом для всей отрасли.
Исследователи отметили, что принципы, использованные в этой конструкции, можно применять не только в аккумуляторах. Подход с атомарным проектированием катализаторов подходит для топливных элементов, технологий электролиза воды и преобразования углекислого газа.
Сегодня цинк-воздушные элементы чаще всего используются в компактных приборах, например слуховых аппаратах. Однако новая разработка демонстрирует возможность создания мощных и перезаряжаемых решений для транспорта и энергетики. Учёные уверены, что технология готова выйти за рамки лабораторных экспериментов и перейти к практическому применению.