As baterias recarregáveis ​​de zinco-ar, alimentadas por zinco oxidante com oxigênio do ar, oferecem uma opção de armazenamento eficiente para energia renovável que é limpa e segura. O desempenho da bateria, no entanto, foi prejudicado por reações eletroquímicas lentas de oxigênio, um gargalo crítico para dimensionamento e comercialização.
Em seu estudo publicado em Particuology , uma equipe de pesquisadores na China projetou uma estratégia para melhorar o desempenho da bateria que envolve aumentar as reações de oxigênio combinando dois metais de transição para fornecer alta atividade eletrocatalítica.

A maioria das fontes de energia renovável, incluindo a energia solar, carece de estabilidade a longo prazo e requer sistemas de armazenamento de energia de alta eficiência para integração com a rede elétrica. As baterias recarregáveis ​​de zinco-ar são consideradas boas candidatas para armazenamento de energia de última geração porque possuem uma densidade de energia teórica ultra-alta. Essas baterias extraem um de seus principais reagentes, o oxigênio, do ar. Eles não contêm compostos tóxicos e podem ser reciclados, descartados com segurança e recarregados com zinco novo.

O obstáculo está em um par de reações eletroquímicas – reação de evolução de oxigênio (OER) e reação de redução de oxigênio (ORR) – que ocorrem no cátodo de ar durante a carga e descarga da bateria.

“A cinética redox para ORR e OER são altamente lentas e tornam a polarização severa, diminuição da eficiência energética e vida útil limitada do ciclo de baterias de zinco-ar recarregáveis”, disse o autor do artigo Bo-Quan Li, professor associado do Instituto de Tecnologia de Pequim.

Para que as baterias de zinco-ar sejam viáveis ​​em larga escala, essas reações precisam de um impulso. Metais nobres e metais de transição (níquel, cobalto, manganês e ferro) podem ser usados ​​para catalisar a cinética de ORR e OER, por exemplo, acelerando a transferência de elétrons entre eletrodo e reagentes. Essas técnicas funcionam, mas a um custo alto.

"Eletrocatalisadores baseados em metais nobres demonstram atividade eletrocatalítica de última geração e servem como referências amplamente aceitas", disse Li. "Mas o alto custo, a escassez de terra e a baixa durabilidade dificultam suas aplicações práticas em larga escala."

Como tal, a busca contínua por uma opção livre de metais nobres de alto desempenho que catalisa tanto ORR/OER é de grande importância para baterias recarregáveis ​​de zinco-ar práticas, disse Li.

Estudos anteriores mostraram que a incorporação de átomos de metais de transição em um substrato de carbono condutor produz alta atividade eletrocatalítica devido à eficiência atômica, estrutura eletrônica única e diversidade na estrutura química. Mas qual metal funciona melhor para ORR e OER?

Em seu estudo, a equipe de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Pequim, da Universidade de Tsinghua e da Universidade Normal de Harbin pergunta:por que escolher apenas um?

"Um único tipo de sítio ativo dificilmente pode promover a cinética de ORR e OER simultaneamente para fornecer atividade eletrocatalítica bifuncional excepcional", disse Li. "Compor diferentes sítios ativos com a respectiva atividade eletrocatalítica foi verificado como uma estratégia eficaz para realizar a multifuncionalidade."

A equipe de pesquisa combinou dois sítios atômicos de metais de transição – ferro atômico (Fe) e níquel atômico (Ni) – e incorporou o compósito sobre um substrato de carbono dopado com nitrogênio (NC). Fe alcançou alta atividade eletrocatalítica na redução de oxigênio, enquanto Ni impulsionou com sucesso a evolução de oxigênio. Juntos, eles realizaram eletrocatalisadores altamente ativos em ambas as reações.

"O eletrocatalisador composto demonstrou excelente atividade eletrocatalítica bifuncional que supera o eletrocatalisador baseado em metais nobres e a maioria dos eletrocatalisadores bifuncionais relatados baseados em sítios ativos análogos", disse Li.

Os pesquisadores mostraram que as baterias recarregáveis ​​de zinco-ar equipadas com o eletrocatalisador FeNi-NC alcançaram alta densidade de potência de pico, altas taxas de trabalho e longa vida útil.

Além de aumentar efetivamente o desempenho da bateria, Fe e Ni são alternativas escaláveis ​​e econômicas para os eletrocatalisadores de oxigênio de metal nobre mais caros e mais escassos em baterias recarregáveis ​​de zinco-ar.

A equipe de pesquisa está agora desenvolvendo técnicas para otimizar a configuração dos sítios atômicos de metais de transição e promover a estabilidade do ciclo sob condições de trabalho.

"O objetivo final é produzir baterias de zinco-ar recarregáveis ​​de alta taxa, alta capacidade e ciclo longo para aplicações práticas", disse Li. + Explorar mais

Bateria de zinco-ar com melhor desempenho graças à energia solar