Chinese grafeenkatalysator maakt zink-luchtbatterij 98% efficiënt en 820 uur stabiel

Een team van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft een doorbraak gemeld die zink-luchtbatterijen een stap dichter bij praktisch gebruik brengt. Onder leiding van onderzoekers Wen Zhenhai en Huang Junheng van het Fujian Institute of Research on the Structure of Matter ontwikkelden ze een nieuwe katalysator op basis van grafeen die de efficiëntie en levensduur van deze batterijen aanzienlijk verbetert. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Angewandte Chemie International Edition.

Zink-luchtbatterijen gelden al jaren als veelbelovend alternatief voor de gangbare lithium-ion-batterij. Ze gebruiken zinkmetaal als negatieve elektrode en zuurstof uit de omgevingslucht als positieve elektrode. Zink is goedkoop, overal beschikbaar en de batterijen kunnen in theorie veel energie opslaan. Het grote probleem was tot nu toe dat ze zich nauwelijks laten opladen: de chemische reacties tijdens het laden en ontladen zijn complex, kosten veel energie en slijten de batterij snel.

Een katalysator van gefluoreerd grafeen

Om dit op te lossen ontwikkelden de onderzoekers een gefluoreerde grafeenkatalysator, afgekort FG-3, met een fluorgehalte van 3,1 procent. Het materiaal werd gemaakt met een gecontroleerd verhittingsproces waarbij geleidelijk fluor werd verwijderd, zodat de elektrisch geleidende koolstofstructuur van het grafeen herstelde. Dat proces bleek cruciaal: de fluor-koolstofbindingen die overbleven, veranderden de elektrische eigenschappen van naburige koolstofatomen en maakten de chemische reactie veel sneller en beter omkeerbaar. In plaats van de gangbare chemische route zette het team in op een reactie tussen zuurstof en waterstofperoxide, die volgens de onderzoekers intrinsiek sneller verloopt en makkelijker in beide richtingen werkt.

Resultaten in de praktijk

In laboratoriumtests presteerde de FG-3-katalysator uitzonderlijk goed: 97,4 procent selectiviteit voor waterstofperoxide en 98 procent zogeheten Faradaic-efficiëntie, een maat voor hoe effectief elektrische lading wordt omgezet in de gewenste chemische reactie. Een niet-oplaadbare zink-luchtbatterij met deze katalysator haalde een piekvermogen van 569 milliwatt per vierkante centimeter. De oplaadbare versie bereikte een rendement van 98 procent per laad-ontlaadcyclus en bleef na ongeveer 1.500 cycli nog altijd 97,6 procent efficiënt. Ook in gewone buitenlucht, zonder speciale omstandigheden, functioneerde de batterij meer dan 820 uur stabiel.

Volgens de onderzoekers biedt hun aanpak een nieuwe strategie om koolstofkatalysatoren te maken zonder dure of schaarse metalen. Dat zou de weg vrijmaken voor goedkopere en duurzamere energieopslag, een belangrijke schakel in de overgang naar meer hernieuwbare energie. Het onderzoek bevindt zich nog in een vroege, experimentele fase, maar de combinatie van hoge efficiëntie, lange levensduur en goedkope grondstoffen maakt zink-luchtbatterijen volgens de wetenschappers een serieuze kandidaat voor de volgende generatie batterijen.