遷移金属複合材料はコストを提供します

2022 年 10 月 6 日

粒子学による

空気中の酸素で亜鉛を酸化することで動作する充電式亜鉛空気電池は、クリーンで安全な再生可能エネルギーの効率的な貯蔵オプションを提供します。 しかし、電池の性能は、酸素の電気化学反応が遅いことによって妨げられており、これが規模拡大と商業化の重大なボトルネックとなっています。

Particuology に掲載された研究で、中国の研究者チームは、2 つの遷移金属を組み合わせて高い電極触媒活性を発揮することで酸素反応を促進するという、電池性能を向上させる戦略を設計しました。

太陽エネルギーを含むほとんどの再生可能エネルギー源は長期安定性に欠けており、電力網と統合するには高効率のエネルギー貯蔵システムが必要です。 充電式亜鉛空気電池は、理論上非常に高いエネルギー密度を備えているため、次世代エネルギー貯蔵の優れた候補と考えられています。 これらのバッテリーは、主要な反応物質の 1 つである酸素を空気から取り込みます。 これらには有毒な化合物が含まれていないため、リサイクル、安全に廃棄し、新しい亜鉛を再充填することができます。

ハードルは、バッテリーの充放電中に空気極で起こる一対の電気化学反応、酸素発生反応 (OER) と酸素還元反応 (ORR) にあります。

「ORRとOERの酸化還元反応速度は非常に遅く、深刻な分極、エネルギー効率の低下、実用的な充電式亜鉛空気電池のサイクル寿命の制限を引き起こします」と論文著者で北京工業大学准教授のBo-Quan Li氏は述べた。

空気亜鉛電池を大規模に実行するには、これらの反応を促進する必要があります。 貴金属および遷移金属 (ニッケル、コバルト、マンガン、鉄) は、電極と反応物質間の電子の移動を加速するなど、ORR および OER 反応速度論を触媒するために使用できます。 これらの手法は有効ですが、コストが高くなります。

「貴金属ベースの電極触媒は最先端の電極触媒活性を示し、広く受け入れられているベンチマークとして機能します」とリー氏は述べた。 「しかし、コストが高く、土が不足しており、耐久性が低いため、大規模な実用化は妨げられています。」

そのため、ORR/OERの両方を触媒する高性能貴金属フリーの選択肢を模索し続けることは、実用的な充電式亜鉛空気電池にとって非常に重要であるとリー氏は述べた。

これまでの研究では、遷移金属原子を導電性炭素基板に埋め込むと、原子効率、独特の電子構造、化学構造の多様性により高い電極触媒活性が得られることが示されています。 しかし、ORR と OER の両方に最適な金属はどれでしょうか?

北京工業大学、清華大学、ハルビン師範大学の研究チームは研究の中で、なぜ1つだけを選ぶのか、と問いかけている。

「単一タイプの活性部位では、ORR と OER の両方の反応速度を同時に促進して、優れた二機能性電極触媒活性を提供することはほとんどできません」と Li 氏は述べています。 「それぞれの電極触媒活性を持つ異なる活性部位を構成することが、多機能性を実現するための効果的な戦略であることが確認されました。」

研究チームは、鉄原子 (Fe) とニッケル原子 (Ni) という 2 つの原子遷移金属サイトを組み合わせ、その複合材料を窒素ドープ カーボン (NC) 基板上に埋め込みました。 Feは酸素還元において高い電極触媒活性を達成し、Niは酸素発生を促進することに成功しました。 彼らは協力して、両方の反応において高活性な電極触媒を実現しました。

「複合電極触媒は、貴金属ベースの電極触媒や、類似の活性サイトに基づく報告されている二機能電極触媒のほとんどを上回る、優れた二機能電極触媒活性を実証しました」とリー氏は述べた。

研究者らは、FeNi-NC 電極触媒を備えた充電式亜鉛空気電池が、高いピーク出力密度、高い稼働率、および長寿命を達成できることを示しました。

Fe と Ni は、電池の性能を効果的に高めることに加えて、充電式亜鉛空気電池のより高価で希少な貴金属酸素電極触媒に代わる、費用対効果が高く拡張性の高い代替品です。

研究チームは現在、原子遷移金属サイトの構成を最適化し、動作条件下でのサイクル安定性を促進する技術を開発中です。

「最終的な目標は、高レート、高容量、長サイクルの充電式亜鉛空気電池を実用化することです」とリー氏は述べた。

詳しくは： Juan Wang et al、「充電式亜鉛空気電池における高性能二官能性酸素電極触媒のための原子遷移金属サイトの構成」、Particuology (2022)。 DOI: 10.1016/j.partic.2022.09.003