Топливо из воздуха, заряд на 74 дня вперёд, 3500 циклов — так умирают старые аккумуляторы

По мере того как мир стремится к декарбонизации, главный вызов энергетики смещается к хранению чистой энергии. Литий-ионные аккумуляторы , ставшие рабочей лошадкой электромобилей и систем возобновляемой генерации, подходят к пределу своих возможностей. Они дороги в производстве, со временем теряют ёмкость и не всегда обеспечивают нужную дальность хода или стабильность при масштабном использовании.

Одной из альтернатив считаются металло-воздушные батареи, которые теоретически могут хранить в несколько раз больше энергии, чем литий-ионные аналоги. Эта перспектива делает их привлекательными для транспорта, аэрокосмической отрасли и сетевых хранилищ. Но ключевой барьер долгое время оставался неизменным — медленные реакции с кислородом, которые отнимали энергию и быстро изнашивали систему.

Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи из Университета Монаша разработали новый катализатор , способный радикально повысить эффективность и срок службы металло-воздушных источников питания. Команда факультета химической и биологической инженерии создала CoFe-2DSA — двухметалльный одноатомный катализатор на основе кобальта и железа, встроенный в ультратонкие пористые углеродные слои. Такое решение ускоряет как реакцию восстановления кислорода (ORR) при разряде, так и реакцию выделения кислорода (OER) при зарядке, именно они считались узким местом технологии.

В испытаниях аккумуляторы с катодом из CoFe-2DSA показали более высокую ёмкость, большую удельную мощность и впечатляющую стабильность, выдержав тысячи циклов заряда и разряда. По словам доктора Парамы Чакраборти Банерджи, принципы проектирования такого материала можно распространить и на другие области — от топливных элементов до систем электролиза и получения водорода. Это важно, поскольку прорывы в катализе нередко оказываются универсальными и затрагивают сразу несколько технологий.

Ключ к успеху — уникальная структура. Учёные использовали пиролиз в расплавленной соли, чтобы преобразовать объёмный кобальто-железный каркас в двумерные нанолисты. Такой подход раскрыл больше активных центров и сформировал микропоры, улучшающие перенос заряда и массы. В результате удалось задействовать атомы кобальта и железа максимально эффективно и сократить потери материала.

Тесты показали, что в роли катода цинк-воздушной батареи новый катализатор обеспечивает плотность мощности 229,6 мВт/см², удельную ёмкость 811,5 мА·ч/г и сохраняет стабильность более 3 500 циклов на протяжении 74 дней. Такой результат значительно превосходит показатели большинства аналогичных систем, где падение ёмкости начинается гораздо раньше.

Расчёты на основе метода функционала плотности подтвердили, что атомы кобальта и железа, координированные через азотные допанты, оптимизируют пути реакций и передачу электронов, что и объясняет высокую эффективность. Долговечность свыше трёх с половиной тысяч циклов делает CoFe-2DSA особенно перспективным для сетевых хранилищ , где требуется надёжная работа в течение многих лет без заметной деградации.