Nowy akumulator osiągnął 98 proc. sprawności. Naukowcy wykorzystali niezwykłe właściwości grafenu
Chińscy naukowcy opracowali katalizator na bazie grafenu modyfikowanego fluorem, który może poprawić wydajność i trwałość akumulatorów cynkowo-powietrznych. W testach laboratoryjnych ogniwo wykorzystujące nowy materiał osiągnęło aż 98 proc. sprawności energetycznej, a po 1500 cyklach ładowania i rozładowania nadal utrzymywało bardzo wysoką efektywność. Odkrycie może pomóc w rozwoju nowej generacji magazynów energii.
Poszukiwanie alternatyw dla popularnych akumulatorów litowo-jonowych jest jednym z ważnych kierunków współczesnej energetyki. Naukowcy pracują nad rozwiązaniami, które pozwolą magazynować więcej energii, ograniczyć straty podczas ładowania i wykorzystać łatwiej dostępne surowce.
Wśród obiecujących technologii znajdują się akumulatory cynkowo-powietrzne. Wyróżniają się wysoką teoretyczną gęstością energii, a cynk jest stosunkowo powszechnym pierwiastkiem. Ich rozwój utrudniają jednak ograniczenia związane z przebiegiem reakcji elektrochemicznych.
Nowe rozwiązanie przedstawili badacze z Fujian Institute of Research on the Structure of Matter, działającego w strukturach Chińskiej Akademii Nauk. Zespół kierowany przez profesorów Wena Zhenhaia i Huanga Junhenga opracował katalizator grafenowy, którego właściwości zmieniono dzięki precyzyjnej kontroli wiązań między węglem a fluorem.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Angewandte Chemie International Edition.
Grafen i fluor mogą pomóc w rozwoju nowych akumulatorów
Podstawą opracowanego rozwiązania jest grafen, czyli materiał zbudowany z niezwykle cienkich warstw atomów węgla. Jego właściwości elektryczne i duża powierzchnia czynią go interesującym materiałem do zastosowań elektrochemicznych.
Naukowcy wykorzystali komercyjny grafen zawierający dużą ilość fluoru, a następnie poddali go kontrolowanej obróbce cieplnej w atmosferze obojętnej. W ten sposób stopniowo usuwali część atomów fluoru, jednocześnie odbudowując strukturę węglową odpowiedzialną za przewodzenie elektronów.
Najlepsze właściwości uzyskano w materiale oznaczonym jako FG-3, zawierającym około 3,1 proc. atomowych fluoru. Taka zawartość pozwoliła osiągnąć korzystną równowagę między przewodnictwem elektrycznym a aktywnością katalityczną.
Istotne okazało się nie tylko to, ile fluoru pozostało w grafenie, ale również w jaki sposób jego atomy były związane z węglem. Odpowiednio ukształtowane wiązania sp²-C-F umożliwiły uzyskanie materiału o właściwościach sprzyjających reakcjom elektrochemicznym.
Zamiast czterech elektronów wystarczą dwa
Jedną z głównych przeszkód w rozwoju akumulatorów cynkowo-powietrznych są stosunkowo powolne reakcje zachodzące podczas ładowania i rozładowywania.
W konwencjonalnych ogniwach wykorzystuje się procesy redukcji i wydzielania tlenu przebiegające z udziałem czterech elektronów. Reakcje te wymagają pokonania znacznych barier energetycznych, co prowadzi do strat energii i może przyspieszać degradację katalizatorów.
Chińscy badacze skoncentrowali się na alternatywnej ścieżce, w której zachodzi odwracalna przemiana tlenu i nadtlenku wodoru z udziałem dwóch elektronów.
Dwuelektronowy mechanizm może zapewniać szybszy przebieg reakcji i lepszą odwracalność procesów elektrochemicznych. W praktyce daje to możliwość ograniczenia strat energii podczas pracy akumulatora.
Dotychczas problemem było jednak znalezienie odpowiedniego katalizatora, który skutecznie wspomagałby oba kierunki reakcji.
Katalizatory zawierające metale mogą uczestniczyć w niepożądanych reakcjach ubocznych, natomiast materiały węglowe często wymagają kompromisu między przewodnictwem elektrycznym a selektywnością. Opracowany przez naukowców fluorowany grafen pozwolił uzyskać korzystne połączenie tych właściwości.
98 proc. sprawności i ponad 820 godzin stabilnej pracy
Najbardziej interesujące wyniki przyniosły testy elektrochemiczne materiału FG-3 oraz ogniw wykorzystujących opracowany katalizator.
Akumulator wielokrotnego ładowania osiągnął 98 proc. sprawności energetycznej pełnego cyklu przy gęstości prądu 2 mA/cm². Oznacza to, że w określonych warunkach laboratoryjnych stosunek energii odzyskanej podczas rozładowania do energii dostarczonej podczas ładowania wyniósł 98 proc.
Co ważne, wysoka efektywność utrzymywała się również podczas długotrwałych testów. Po 1500 cyklach ładowania i rozładowania sprawność energetyczna nadal wynosiła 97,6 proc.
Ogniwo pracowało ponadto stabilnie przez ponad 820 godzin w kontakcie z powietrzem atmosferycznym. To ważny wynik z punktu widzenia dalszego rozwoju technologii wykorzystujących tlen pobierany z otoczenia.
Badacze sprawdzili również inne parametry nowego materiału. Katalizator osiągnął 97,4 proc. selektywności wytwarzania nadtlenku wodoru oraz 98 proc. wydajności faradajowskiej.
Z kolei skonstruowane ogniwo pierwotne, nieprzeznaczone do wielokrotnego ładowania, uzyskało maksymalną gęstość mocy na poziomie 569 mW/cm².
Wyniki wskazują na wysoką skuteczność nowego katalizatora, choć dotyczą konkretnych układów eksperymentalnych. Nie oznaczają jeszcze, że takie same parametry osiągną akumulatory produkowane na skalę przemysłową.
Dlaczego niewielka ilość fluoru daje tak dobre rezultaty?
Aby wyjaśnić działanie opracowanego materiału, naukowcy przeprowadzili badania spektroskopowe podczas pracy katalizatora oraz symulacje komputerowe oparte na obliczeniach z pierwszych zasad.
Analizy pokazały, że odpowiednio rozmieszczone wiązania między fluorem a węglem zmieniają lokalny rozkład ładunku elektrycznego w grafenie.
Wiązania sp²-C-F wywołują polaryzację elektrostatyczną sąsiednich atomów węgla, co sprzyja stabilizacji kluczowego produktu pośredniego reakcji, oznaczanego jako OOH.
Ma to istotne znaczenie dla przebiegu procesu elektrochemicznego. Odpowiednie oddziaływanie tego produktu pośredniego z powierzchnią katalizatora może obniżać barierę energetyczną reakcji i ułatwiać jej przebieg.
Badania wskazują zatem, że na właściwości grafenu wpływa nie tylko obecność określonych pierwiastków, lecz również sposób ich połączenia z atomami węgla.
Pozwala to projektować katalizatory o ściśle określonych właściwościach bez konieczności wykorzystywania metali jako głównych składników aktywnych.
Nie tylko akumulatory. Możliwe zastosowanie w produkcji nadtlenku wodoru
Opracowany materiał może znaleźć zastosowanie również poza technologiami magazynowania energii. Jednym z potencjalnych kierunków jest elektrochemiczne wytwarzanie nadtlenku wodoru, związku chemicznego szeroko stosowanego między innymi w dezynfekcji, oczyszczaniu wody i różnych procesach przemysłowych.
Tradycyjne metody jego produkcji są realizowane przede wszystkim w dużych instalacjach przemysłowych. Alternatywą mogłoby być wytwarzanie substancji bezpośrednio w miejscu wykorzystania.
Wysoka selektywność opracowanego katalizatora sugeruje, że fluorowany grafen może być przydatny w przyszłych systemach lokalnej produkcji nadtlenku wodoru. Takie zastosowanie wymaga jednak dalszych badań nad wydajnością, trwałością i opłacalnością całego procesu.
Czy akumulatory z fluorowanym grafenem trafią na rynek?
Choć wyniki chińskich naukowców są obiecujące, nie oznaczają jeszcze powstania gotowej technologii komercyjnej. Przed potencjalnym wdrożeniem konieczne będzie sprawdzenie właściwości katalizatora w większych ogniwach oraz określenie kosztów jego wytwarzania. Ważne będą również testy trwałości przy różnych obciążeniach i w rzeczywistych warunkach eksploatacji.
Nadal pozostaje pytanie, czy bardzo wysoką sprawność uzyskaną w laboratorium uda się zachować po zwiększeniu skali urządzenia.
Najważniejszym osiągnięciem badaczy jest wykazanie, że odpowiednia kontrola wiązań między fluorem a węglem może znacząco poprawić właściwości katalityczne grafenu.
Otwiera to nowe możliwości projektowania materiałów przeznaczonych do reakcji elektrochemicznych, w tym procesów wykorzystywanych w akumulatorach cynkowo-powietrznych.
Jeżeli rozwiązanie uda się skutecznie rozwijać i skalować, może ono w przyszłości przyczynić się do powstania wydajniejszych i trwalszych magazynów energii.
Dodaj komentarz