Воздушно-цинковые батареи, которые производят электричество в результате химической реакции между кислородом в атмосфере и цинком, считаются кандидатами следующего поколения для удовлетворения растущего спроса на электромобили, в которых сейчас используются литий-ионные батареи. Теоретически они соответствуют всем требуемым характеристикам для вторичных батарей следующего поколения, таким как высокая плотность энергии, низкая взрывоопасность, экологичность, не выделяющая загрязняющих веществ, дешевизна материалов (цинк и воздух, которые можно легко получить из природы).
Корейский институт науки и технологий (KIST, президент Сок-Джин Юн) объявил, что его исследовательская группа во главе с доктором Джун Ки Ли (Исследовательский центр накопления энергии) разработала технологию улучшения электрохимических характеристик воздушно-цинковых батарей за счет использования солнечной энергии.
В батарее, разработанной исследовательской группой, используется фотоактивный бифункциональный воздушный электрокатализатор с полупроводниковой структурой с чередующимися уровнями энергии, что значительно повышает скорость реакции восстановления кислорода (ORR) и реакции выделения кислорода (OER), которые генерируют электричество. Фотоактивный бифункциональный катализатор представляет собой соединение, которое ускоряет химические реакции за счет поглощения энергии света и обладает улучшенной светопоглощающей способностью по сравнению с обычными катализаторами цинково-воздушных батарей.
В воздушно-цинковой батарее, в которой в качестве анода и катода батареи используются металл и воздух, необходимо попеременно выполнять OER и ORR для преобразования электрической энергии кислорода в качестве активного материала катода. Следовательно, каталитическая активность токосъемника положительного электрода, изготовленного из углеродного материала, является важным фактором, определяющим плотность энергии и общую эффективность элемента воздушно-цинковых батарей.
Соответственно, исследовательская группа KIST сосредоточилась на p-n гетеропереходе, основной структурной единице солнечных элементов и полупроводников, в качестве меры по улучшению медленной каталитической активности воздушно-цинковых батарей. Цель состояла в том, чтобы ускорить процесс производства-восстановления кислорода, используя характеристики интерфейса полупроводников, в которых происходит движение электронов. С этой целью был синтезирован катодный материал со структурой запрещенной зоны гетероперехода, с полупроводником n-типа (графитовый нитрид углерода, g-C3N4) и полупроводником ap-типа (ZIF-67, легированный медью (Zeolitic Imidazolate Framework-67).
Кроме того, был проведен эксперимент в реальных условиях без освещения, чтобы подтвердить коммерческий потенциал фотоактивного бифункционального катализатора со структурой p-n-гетероперехода с чередующимися уровнями энергии. Батарея-прототип показала плотность энергии 731,9 мА·ч gZn-1, аналогичную лучшим характеристикам существующей цинково-воздушной батареи. В присутствии солнечного света плотность энергии увеличилась примерно на 7% до 781,7 мА·ч gZn-1, а также отличные показатели циклов (334 часа, 1000 циклов), демонстрируя наилучшие показатели среди известных катализаторов.
Доктор Ли сказал: «Использование солнечной энергии является важной частью не только улучшения электрохимических характеристик вторичных батарей, но и создания устойчивого общества. Мы надеемся, что эта технология станет катализатором, который будет стимулировать развитие новых конвергентных технологий в физике полупроводников и электрохимии, а также решит трудности металло-воздушных аккумуляторов, которые появляются в качестве альтернативы литий-ионным аккумуляторам».
