Новый катализатор для литий-воздушных батарей

Развитие электротранспорта и систем накопления энергии стимулирует поиск новых решений для батарей с повышенной энергоемкостью. Литий-воздушные аккумуляторы рассматриваются как перспективная технология, способная в разы превзойти современные литий-ионные аналоги по плотности энергии, что критически важно для увеличения запаса хода электромобилей.

Однако, на пути к коммерциализации этих батарей стоят серьезные вызовы, связанные с ограниченным числом активных центров для катализа кислородных реакций, что ведет к снижению скорости процессов и сокращению срока службы. Решение этой проблемы предложила совместная исследовательская группа из Корейского института науки и технологий (KIST) и Института передовых технологий (IAE).

Ученые разработали новый катализатор на основе двумерного наноматериала – диселенида вольфрама (WSe₂), который значительно повышает активность всей поверхности материала. Ключевой инновацией стало преобразование плоскости двумерного материала, ранее мало задействованной в химических реакциях, в активный каталитический центр. Для этого в структуру WSe₂ были введены атомы платины (Pt), что привело к образованию вакансий на поверхности, где ранее располагались атомы селена (Se).

Эти вакансии служат мощными центрами адсорбции и активации кислорода, ускоряя как реакцию восстановления кислорода (ORR), так и реакцию выделения кислорода (OER). Разработка отличается тем, что полностью задействует двумерный материал в качестве активной зоны без ущерба для его проводимости.

Батареи с новым катализатором продемонстрировали впечатляющую стабильность, выдержав более 550 циклов заряд-разряд при интенсивном режиме (1C). По сравнению с существующими дорогостоящими катализаторами, такими как Pt/C и диоксид рутения (RuO₂), разработанный WSe₂ показал превосходную стабильность и долговечность в широком диапазоне скоростей зарядки/разрядки (от 0.1C до 3C). Это открывает путь к созданию аккумуляторов нового поколения, способных выдерживать высокоскоростную зарядку без существенной деградации характеристик.

Данное достижение предлагает новый подход к дизайну катализаторов, преодолевающий структурные ограничения двумерных материалов. Ожидается, что разработка найдет применение в различных энергетических устройствах, включая литий-воздушные батареи, электролизеры воды и топливные элементы, способствуя снижению затрат и повышению эффективности.

Исследование, в котором приняли участие специалисты из Национальной лаборатории Лоуренса в США, подчеркивает глобальную конкурентоспособность и надежность полученных результатов. Команда планирует дальнейшее развитие технологии для коммерциализации.

«Это исследование представляет собой стратегию атомарного контроля, позволяющую использовать ранее неактивную плоскость материала, сохраняя при этом его структурные преимущества», — отметил доктор Сохи Чонг из KIST. Доктор Кван-Хи Ли из IAE добавил: «Мы значительно улучшили производительность при быстрой зарядке, которая была основным препятствием для литий-воздушных батарей, приближая тем самым сроки их коммерциализации для высокопроизводительных мобильных систем».*Признаны экстремистскими организациями и запрещены на территории РФ.