นักเคมีพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ ทำให้แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศใช้งานได้เกิน 300 ชั่วโมง

นักเคมีได้ค้นพบความลับที่อาจเปลี่ยนแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศให้กลายเป็นแหล่งพลังงานที่ชาร์จซ้ำได้สูงสุด นักวิจัยจาก Technical University of Darmstadt ได้พัฒนาวัสดุผสมหลายฟังก์ชัน เพื่อให้เทคโนโลยีแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศที่ชาร์จซ้ำได้กลายเป็นความเป็นจริง การทำให้แบตเตอรี่เหล่านี้ชาร์จซ้ำได้เป็นงานที่ท้าทายมาก เนื่องจากการควบคุมปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อนภายในแบตเตอรี่เป็นอุปสรรคทางเทคนิคหลัก เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมวิจัยภายใต้การนำของศาสตราจารย์ Jörg Schneider ได้นำเสนอวัสดุผสมใหม่ที่ประกอบด้วยเหล็ก นิกเกิล และคาร์บอน ซึ่งสามารถทำให้กระบวนการภายในเหล่านี้คงที่ได้

น่าสนใจคือ การพัฒนาครั้งนี้ทำให้แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศที่ชาร์จซ้ำได้ใช้งานต่อเนื่องได้ถึง 300 ชั่วโมง ทีมระบุว่า: "แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศรองที่ประกอบเสร็จแล้วสามารถทำงานวนรอบได้เกิน 300 ชั่วโมงในการทดสอบชาร์จ-ดิสชาร์จกระแสคงที่"

การพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่

แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาผสมประสิทธิภาพสูงทำงานอย่างเงียบๆ มาโดยตลอด โดยหลักใช้ในผลิตภัณฑ์ที่ใช้ครั้งเดียว เช่น เครื่องช่วยฟัง แบตเตอรี่เหล่านี้มีความสามารถในการเก็บพลังงานได้ถึง 5 เท่าของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน แต่เนื่องจากการควบคุมปฏิกิริยาเคมีภายในที่ซับซ้อนระหว่างการชาร์จเกือบจะเป็นไปไม่ได้ จึงเป็นแบตเตอรี่ใช้ครั้งเดียวตลอดมา ทีมวิจัยแก้ไขปัญหานี้โดยการติดตั้งอนุภาคสปินเนลขนาดนาโน (ประกอบด้วยเหล็ก นิกเกิล และออกซิเจน) อย่างมั่นคงบนวัสดุคาร์บอนที่มีไนโตรเจนและฟอสฟอรัส สปินเนลได้รับการใช้งานกว้างขวางในวิทยาวัสดุและวิศวกรรมไฟฟ้า เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัว วัสดุใหม่นี้ใช้คุณสมบัติทางแอเล็กโทรเคมีเฉพาะเหล่านี้ ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาภายในที่ทนทาน

ในช่วงแรก นิกเกิล-เหล็กออกไซด์เป็นวัสดุพื้นฐานของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ออกแบบมาเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาออกซิเจนภายในแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศที่ชาร์จซ้ำได้ อย่างไรก็ตาม ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้เผชิญกับความท้าทายด้านกิจกรรมทางเคมีต่ำและความเสถียรภาพแย่ จำกัดการประยุกต์ใช้ในแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศที่ชาร์จซ้ำได้ เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาผสม โดยห่อลูกบาศก์นิกเกิล-เหล็กออกไซด์ขนาดเล็กไว้ในมุมนาโนคาร์บอนที่摻ไนโตรเจนและ摻ฟอสฟอรัส โครงสร้างคาร์บอนชั้นนอกนี้ให้การขนส่งอิเล็กตรอนและมวลที่รวดเร็ว พร้อมสร้างจุดปฏิกิริยาที่ทำงานอยู่จำนวนมาก โครงสร้างนี้ยังป้องกันอนุภาคออกไซด์เหล็กไม่ให้凝聚หรือละลาย ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาทนทานและมีประสิทธิภาพมากขึ้น

ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดนี้ที่สามารถแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียม แสดงประสิทธิภาพทางแอเล็กโทรเคมีที่น่าประทับใจ มีศักย์ครึ่งคลื่นสูงถึง 0.79 V ความชัน Tafel ต่ำที่ 56.5 mV/dec และเส้นทางการฟื้นฟูออกซิเจน 4 อิเล็กตรอนที่มีประสิทธิภาพ เมื่อทดสอบในเซลล์แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศทั้งระบบ ความหนาแน่นกำลังสูงสุดถึง 54 mW/cm² เกือบ 2 เท่าของมาตรฐาน 28 mW/cm² ของระบบตัวเร่งปฏิกิริยาแพลทินัมและแพลทินัมมาตรฐาน ในการทดสอบห้องปฏิบัติการ ตัวเร่งปฏิกิริยานี้สามารถทำให้เกิดการทำงานต่อเนื่องได้สูงสุด 300 ชั่วโมง ผ่านการทำให้ "จุดต่อสามขา" คงที่ — การปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยาแข็ง 電解質ของเหลว และออกซิเจนในสภาพแวดล้อม

ดังนั้น วัสดุนี้จึงรักษาสภาพเคมีที่เสถียรซึ่งจำเป็นสำหรับการทำงานของแบตเตอรี่ที่น่าเชื่อถือในระยะยาว

ข้อได้เปรียบของแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศ

เทคโนโลยีสังกะสี-อากาศมีข้อได้เปรียบอย่างมีนัยสำคัญด้านต้นทุน ความปลอดภัย และการประยุกต์ใช้ที่ขยายได้ เทียบกับระบบลิเธียม-ไอออน ลิเธียม โคบอลต์ และนิกเกิลเผชิญปัญหาห่วงโซ่อุปทานรุนแรง ในขณะที่วัสดุอย่างสังกะสี เหล็ก และคาร์บอนมีปริมาณมากและราคาถึงทั่วโลก นอกจากนี้ แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศใช้電解질น้ำที่ไม่ไวไฟ ทำให้ความเสี่ยงไฟไหม้จากการหลุดล้มทางความร้อนอันตรายที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนหายไป แม้ความหนาแน่นกำลังปานกลางจะทำให้เหมาะน้อยกว่าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภคที่ชาร์จเร็ว แต่ความหนาแน่นพลังงานสูงทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเก็บพลังงานในกริดคงที่ที่รองรับพลังงานแสงอาทิตย์และลม ในที่สุด แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศขนาดใหญ่ก็อาจกลายเป็นแหล่งพลังงานระยะไกลที่มีประสิทธิภาพสำหรับขนส่งหนักและรถยนต์ไฟฟ้า