Chemici verbeteren de prestaties van milieuvriendelijke batterijen met behulp van katalysatoren met onconventionele fase-nanostructuren

Figuur 1. Schematische weergave van de aprotische Li-CO2-batterij. Credit: Procedures van de National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204666119

De metaal-kooldioxidebatterij is een veelbelovende en milieuvriendelijke technologie, maar de energie-efficiëntie is beperkt. Onlangs heeft een onderzoeksteam onder leiding van scheikundigen van de City University of Hong Kong (CityU) een innovatieve manier ontdekt om dit probleem op te lossen door een onconventioneel fase-nanomateriaal als katalysator te introduceren, waardoor de energie-efficiëntie van batterijen tot 83,8% wordt verhoogd. De studie onthult een nieuw ontwerp van katalysatoren voor de nieuwe generatie metagasbatterijen die kunnen bijdragen aan koolstofneutrale doelstellingen.

De metaal-kooldioxidebatterij kan duurzame elektriciteit (hoge energiedichtheid) leveren aan elektronica en koolstofdioxide (CO₂) fixatie zonder extra energieverbruik van een extern circuit om CO om te zetten₂ broeikasgasemissies in producten met toegevoegde waarde (figuur 1). Met name de lithium-kooldioxidebatterij heeft een hoge theoretische energiedichtheid (1876 Wh kg-1), waardoor het een veelbelovende kandidaat is voor de volgende generatie hoogwaardige energieconversie- en opslagtechnologie.

Metaal-CO₂ batterijen hebben nog steeds last van een trage reactiekinetiek. Dit veroorzaakt een groot overpotentiaal (d.w.z. er is meer spanning of energie nodig dan theoretisch is bepaald om de oxidatie-reductiereactie aan te drijven die ervoor zorgt dat de batterij werkt), lage energie-efficiëntie, slechte reversibiliteit en beperkte cyclusstabiliteit.

Technische hindernissen in traditionele strategieën voor katalysatormodificatie

“Onderzoekers beschouwen morfologie, grootte, bestanddelen en distributie van op metaal gebaseerde componenten in samengestelde kathodekatalysatoren gewoonlijk als de belangrijkste zorgen die leiden tot verschillen in batterijprestaties”, zegt Dr. Fan Zhanxi, assistent-professor bij de afdeling chemie van CityU, en een van de leiders van de studie.

“Maar we ontdekten dat het voorbereiden van nieuwe katalysatoren met onconventionele fasen een haalbare en veelbelovende strategie is om de energie-efficiëntie en prestaties van metaal-gasbatterijen te verbeteren, vooral omdat traditionele modificatiestrategieën voor katalysatoren op technische hindernissen op de lange termijn zijn gestuit.”

Dr. Fan en zijn team hebben uitgebreide ervaring en kennis opgebouwd met betrekking tot de precieze regulatie van de kristalfase van op metaal gebaseerde nanomaterialen, waardoor ze geschikte elementen konden selecteren om hun onconventionele fasen te construeren en vervolgens het effect van de kristalfase van katalysatoren op de reactiekinetiek van een bepaald soort aprotische (dwz zonder waterstofionen) metaal-gaselektrochemie. “Dit betekent echter niet dat dit proces gemakkelijk te realiseren is, omdat het strenge eisen stelt aan de bifunctionaliteit van kathodekatalysatoren in een organische omgeving”, legt Dr. Fan uit.

Het team synthetiseerde iridium-nanostructuren met een onconventionele 4H/gezicht-gecentreerde kubische (fcc) heterofase door de groeikinetiek van Ir op goud (Au) sjablonen te regelen. In hun experimenten vertoonde de katalysator met 4H/fcc heterofase een lager ladingsplateau (onder 3,61 V) en hogere energie-efficiëntie tot 83,8% tijdens fietsen in aprotisch Li-CO₂ batterijen dan andere op metaal gebaseerde katalysatoren (gewoonlijk met een laadpotentieel van meer dan 3,8 V en een energie-efficiëntie tot 75%).

Figuur 2. Drie verschillende soorten elektrochemische reactiekinetiek op Au@4H-Ir, Au@fcc-Ir en pure Au (rechterpaneel) in een aprotische Li-CO₂ accu. Credit: Procedures van de National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204666119

Uitstekende prestaties van onconventionele fase metalen nanomaterialen

De combinatie van experimenten en theoretische berekeningen uitgevoerd door het team onthulde dat 4H/fcc Ir-nanostructuren gecreëerd door middel van fase-engineering gunstiger zijn voor de reversibele vorming van amorfe/laag-kristallijne ontladingsproducten (figuur 2), waardoor het overpotentieel wordt verlaagd en de cyclus wordt bevorderd. stabiliteit van elektrochemische redoxreacties. De ongebruikelijke fase 4H / fcc Ir-nanostructuren presteerden veel beter dan gewone fcc Ir, en bereikten een uitstekend laadpotentieel en energie-efficiëntie in vergelijking met andere gerapporteerde op metaal gebaseerde katalysatoren die worden gebruikt in aprotische Li-CO₂ batterijen.

“Deze studie onthult het grote potentieel van fase-engineering van katalysatoren in metaal-gaselektrochemie. Het opent een nieuwe richting voor het ontwerpen van katalysatoren voor de ontwikkeling van duurzame elektrochemische energieconversie- en opslagsystemen”, concludeerde Dr. Fan.

De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in de Procedures van de National Academy of Sciences (PNAS), getiteld “Het stimuleren van de reactiekinetiek in aprotische lithium-kooldioxidebatterijen met onconventionele fase metalen nanomaterialen.”