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Neutrale Zink-Luft-Batterie mit Kathode NiCo/C-N zeigt hervorragende Leistungen

16.04.2019

Qingfeng Yi et al.

NiCo dotierte C-N-Hohl-Nanoröhren-Verbundwerkstoffe, hergestellt durch direkte Pyrolyse von Ni/Co-Salz, Dicyandiamid und Glukose, bieten eine hervorragende Leistung als Kathodenkatalysatoren neutraler Zn-Luftbatterien.

Ein Forscherteam der School of Chemistry and Chemical Engineering der Hunan University of Science and Technology hat eine neue Strategie für die Synthese von Nichtedelmetallkatalysatoren in Zink-Luft-Batterien vorgeschlagen, die ihre Elektroaktivität, Erschwinglichkeit und Stabilität nicht beeinträchtigen.

Als grüner und nachhaltiger Energieerzeuger hat die Zink-Luft-Batterie aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie, hohen Stromdichte, niedrigen Kosten und Umweltfreundlichkeit große Aufmerksamkeit bei den Forschern erregt. Doch sie ist nicht ohne seine Nachteile. Die langsame Sauerstoffreduktionsreaktion (oxygen reduction reaction, ORR) ihrer Kathode ist zu einem Hindernis für ihre kommerzielle Anwendung geworden. Eine mögliche Lösung ist die Verwendung von Katalysatoren aus Platin (Pt) und auf Platin-Basis, die jedoch aufgrund ihrer hohen Kosten und knappen Verfügbarkeit weniger ideal sind. Darüber hinaus wird in der Regel alkalisches KOH (oder NaOH) als Elektrolyt verwendet, führt aber durch die Auflösung von CO2 im Elektrolyten sowie durch die spontane Korrosion des anodischen Zinks in stark alkalischen Medien zur Bildung von Carbonaten (CO32-). Dies hat den Effekt, dass die Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten und die Lebensdauer der Batterie verschlechtert werden. Daher sollte stattdessen ein neutraler Elektrolyt verwendet werden. Ergänzend dazu muss ein Nichtedelmetall-ORR-Katalysator gefunden werden, der auch in einem neutralen Elektrolyten funktionieren kann.

Ein Forscherteam der School of Chemistry and Chemical Engineering der Hunan University of Science and Technology stellte eine neuartige Strategie für die Synthese von Nichtedelmetallkatalysatoren mit hervorragender Elektroaktivität für die Sauerstoffreduktionsreaktion im neutralen Elektrolyten vor. Sie bereiteten Ni/Co-dotierte C-N-Hohl-Nanoröhren-Verbundkatalysatoren (C-N, Co/C-N, Ni/C-N und Ni-Co/C-N) durch eine einfache Pyrolyse von Ni/Co-Salz, Dicyandiamid und Glucose vor. Eine entsprechende Zink-Luft-Batterie wurde in einem neutralen Medium unter Verwendung der vorbereiteten Probe als Katalysator für die Luftelektrode montiert und zeigte eine hervorragende Entladungsleistung und Stabilität.

Die asynthesizierten Ni/Co-dotierten C-N-Verbundwerkstoffe weisen eine lockige Rohrstruktur auf, was zu einer enormen aktiven Oberfläche und Stabilität führt. Eine neutrale Zink-Luft-Batterie unter Verwendung einer 0,5 mol·L-1 KNO3-Lösung wurde unter Verwendung des vorbereiteten Verbundkatalysators, der auf Kohlepapier beschichtet ist, als Luftkathode und Zn-Platte als Anode montiert. Die Batterie mit dem Kathodenkatalysator Ni-Co/C-N liefert die Leerlaufspannung von 1,13 V und die maximale Leistungsdichte von 65 mW·cm-2. Die konstante Entladestromdichte von 50, 100 und 150 mA·cm-2 kann 202, 93 bzw. 11 Stunden andauern. Bei verschiedenen Entladestromdichten entsteht ein stabiles Spannungsplateau. Die neutrale Zink-Luft-Batterie kann nach dem Austausch der Zinkanode wiederholt entladen werden, was die hohe Stabilität des kathodischen Katalysators und die breiten Einsatzmöglichkeiten als mobile Energiequelle zeigt.

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