- 新型催化劑使鋅空氣電池可充電，解決技術障礙。
- 可充電鋅空氣電池的連續運行時間可達300小時。
- 鋅空氣電池在成本和安全性上優於鋰離子電池。
- 鋅空氣電池適合用於固定電網能量儲存及重型運輸。
化學家們已經解開了一個秘密，這個秘密有可能將鋅空氣電池轉變為終極可充電能源。達姆施塔特工業大學的研究人員開發了一種多功能複合材料，旨在實現可充電鋅空氣電池的技術。使這些電池可充電一直是極具挑戰性的任務，因為控制電池內部複雜的化學反應是主要的技術障礙。為瞭解決這一問題，由約爾格·施奈德教授領導的研究團隊展示了一種由鐵、鎳和碳組成的新型複合材料，能夠穩定這些內部過程。
有趣的是，這一發展使可充電鋅空氣電池的連續運行時間可達 300 小時。團隊表示：「組裝的二次鋅空氣電池在恆流充放電測試中可循環超過 300 小時。」
新型催化劑的開發
高效混合催化劑鋅空氣電池一直低調運行，主要用於助聽器等一次性產品。這些電池的能量存儲能力可達鋰離子電池的五倍，但由於在充電過程中控制其複雜的內部化學反應幾乎不可能，因此始終是一次性使用。研究團隊通過將含有氮和磷的碳材料上牢固固定納米級尖晶石顆粒（由鐵、鎳和氧組成）來解決這一難題。尖晶石在材料科學和電氣工程中因其獨特的特性而被廣泛應用。這種新型材料利用這些專門的電化學特性，作為長效內部催化劑。
早期，鎳鐵氧化物是設計用於驅動可充電鋅空氣電池內部氧反應的催化劑基礎材料。然而，這些催化劑面臨著化學活性低和穩定性差的挑戰，限制了其在可充電鋅空氣電池中的應用。為瞭解決這一問題，研究人員創建了一種混合催化劑，將微小的鎳鐵氧化物立方體包裹在摻氮和摻磷的碳納米角中。這層碳外殼提供了快速的電子和質量傳輸，同時創造了眾多活躍的反應位點。該結構還能保護鐵氧化物顆粒免於聚集或溶解，從而使催化劑更加耐用和有效。
取代鋰電池這種催化劑展示了令人印象深刻的電化學性能，具有高達 0.79 V 的半波電位、56.5 mV/dec 的低塔菲爾斜率，以及高效的四電子氧還原途徑。在整個鋅空氣電池單元中測試時，其最大功率密度達到 54 mW/cm²，幾乎是標準鉑和鉑催化劑設置的 28 mW/cm²基準的兩倍。在實驗室測試中，該催化劑能夠通過穩定“三重接合點”——固體催化劑、液體電解質和環境氧氣的相互作用，實現最多 300 小時的連續運行。
因此，該材料保持了可靠的長期電池運行所需的穩定化學條件。
鋅空氣電池的優勢
鋅空氣技術在成本、安全性和可擴展應用方面相對於鋰離子系統具有顯著優勢。鋰、鈷和鎳面臨著嚴重的供應鏈問題，而鋅、鐵和碳等材料則在全球範圍內充足且經濟實惠。此外，鋅空氣電池使用的水基電解質不易燃，消除了與鋰離子電池相關的危險熱失控火災風險。儘管中等的功率密度使其不太適合快速充電的消費電子產品，但其高能量密度使其非常適合用於支持太陽能和風能的固定電網能量儲存。最終，擴大規模的鋅空氣電池也有可能成為重型運輸和電動車的高效長途電源。
項目 規格 半波電位 0.79 V 塔菲爾斜率 56.5 mV/dec 最大功率密度 54 mW/cm² 基準功率密度 28 mW/cm² 連續運行時間 300 小時
鋅空氣電池的未來潛力
鋅空氣電池技術的突破可能會改變可再生能源的儲存方式。這種電池不僅在能量密度上超越鋰離子電池，還在材料的可獲得性和安全性方面具備優勢。隨著對可持續能源需求的增加，鋅空氣電池的應用範圍可能會擴展至固定電網及重型運輸領域，這對於未來的能源轉型至關重要。研究人員的創新催化劑設計為長期穩定運行提供了可能，這將進一步推動鋅空氣電池的商業化進程。