Японский Технологический институт Сибаура разработал катализатор без платины — плотность энергии литий-кислородных батарей может возрасти в десять раз

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Технологического института Сибаура (Shibaura Institute of Technology, SIT) в Японии разработала недорогой катализатор без содержания платины, устранив ключевое препятствие на пути практического применения литий-кислородных батарей (lithium–oxygen batteries, LOBs) с высокой плотностью энергии. Плотность энергии литий-кислородных батарей может достигать десятикратной величины по сравнению с традиционными литий-ионными батареями, что теоретически способно обеспечить длительные поездки на электромобилях и многочасовые полёты беспилотников, однако медленная кислородная реакция в процессе зарядки и разрядки долгое время сдерживала их коммерциализацию. Благородные металлы, такие как платина и рутений, хотя и ускоряют реакцию, но из-за высокой стоимости их трудно применять в промышленных масштабах.

Исследовательская группа под руководством профессора Такахиро Исидзаки (Takahiro Ishizaki) разработала гетероструктурный катализатор без благородных металлов, объединив перовскитный оксид и шпинельный оксид в композитный материал. Оба оксида по отдельности уже обладают хорошей каталитической активностью, а их объединение даёт значительный синергетический эффект, позволяя одновременно ускорять реакцию восстановления кислорода и реакцию выделения кислорода. Этот композитный материал демонстрирует разность напряжений всего 1,14 В в процессе зарядки и разрядки, что означает меньшие потери электроэнергии. В испытаниях характеристик батареи композитный материал превзошёл оба отдельных оксидных материала: его зарядные характеристики превышают показатели коммерческого оксида рутения, а разрядные характеристики сопоставимы с платиной.

Примечательно, что физические испытания показали: общая электрохимическая площадь поверхности этого композитного материала является наименьшей среди всех протестированных образцов. Обычно считается, что большая площадь поверхности обеспечивает больше активных центров и повышает производительность, однако группа обнаружила, что скорость катализа в большей степени зависит от качества электронной структуры. При соединении двух оксидов на молекулярном интерфейсе образуются многочисленные кислородные вакансии, формирующие беспрепятственный электронный путь, что позволяет кислородной реакции протекать быстро.

Такахиро Исидзаки отметил, что наиболее непосредственное применение этого достижения — разработка высокоэффективных воздушных катодов для литий-кислородных батарей следующего поколения. Такие батареи могут обеспечить питание электромобилей с большим запасом хода и беспилотников с увеличенной продолжительностью полёта, чьи потребности в энергоёмкости превышают возможности современных литий-ионных технологий. Городская воздушная мобильность остаётся долгосрочной перспективой, однако эта работа является ключевым шагом в раскрытии потенциала литий-кислородных батарей. Этот экономически эффективный дизайн катализатора также предлагает недорогое и устойчивое решение для производства зелёного водорода, крупномасштабных металл-воздушных батарей, а также для хранения энергии в солнечных и ветровых электросетях.