Un equipo de investigadores con sede en China descubrió una forma innovadora de superar los problemas de eficiencia energética que hasta ahora han afectado a las baterías de metal-dióxido de carbono.
En detalle, los científicos introdujeron un nanomaterial de fase no convencional como catalizador, aumentando la eficiencia energética de la batería hasta 75.8%.
En un artículo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, el grupo explica que el metal- Las baterías de dióxido de carbono pueden proporcionar electricidad duradera (alta densidad de energía) para la electrónica y permitir la fijación de dióxido de carbono sin el consumo de energía adicional de un circuito externo para convertir las emisiones de gases de efecto invernadero de CO2 en productos de valor agregado.
Investigaciones anteriores han demostrado que la batería de dióxido de carbono y litio tiene una alta densidad de energía teórica (1876 Wh kg-1), lo que la convierte en una candidata prometedora para la próxima generación de baterías de alto rendimiento. tecnología de conversión y almacenamiento de energía.
Sin embargo, las baterías de metal-CO2 todavía sufren una cinética de reacción lenta. Esto provoca un gran sobrepotencial, es decir, se requiere más voltaje o energía de lo que se determina teóricamente para impulsar la reacción de oxidación-reducción que hace que la batería funcione, baja eficiencia energética, mala reversibilidad y estabilidad de ciclo limitada.
“Los investigadores suelen considerar que la morfología, el tamaño, los constituyentes y la distribución de los componentes de base metálica en los catalizadores de cátodos compuestos son las principales preocupaciones que conducen a las diferencias en el rendimiento de las baterías”, dijo Fan Zhanxi, uno de los investigadores principales del proyecto, en un comunicado de prensa. declaración.
“Pero descubrimos que la preparación de catalizadores novedosos con fases no convencionales es una estrategia factible y prometedora para aumentar la eficiencia energética y el rendimiento de las baterías de metal-gas, especialmente porque las estrategias tradicionales de modificación de catalizadores han encontrado obstáculos técnicos a largo plazo”.
Iridio sobre oro
Fan y su equipo acumularon una amplia experiencia y conocimientos relacionados con la regulación precisa de la fase cristalina de los nanomateriales de base metálica, lo que les permitió seleccionar los elementos adecuados para construir sus fases no convencionales y, posteriormente, estudiar el efecto de la fase cristalina de los catalizadores en la reacción. cinética de un cierto tipo de aprótico o que no involucra electroquímica metal-gas de iones de hidrógeno.
“Sin embargo, esto no significa que este proceso sea fácil de realizar porque implica requisitos estrictos sobre la bifuncionalidad de los catalizadores de cátodo en un entorno orgánico”, dijo Fan.
El equipo sintetizó nanoestructuras de iridio con una heterofase cúbica centrada en la cara (fcc)/4H no convencional mediante el control de la cinética de crecimiento de Ir en plantillas de oro. En sus experimentos, el catalizador con heterofase 4H/fcc demostró una meseta de carga más baja (por debajo de 3.61 V) y una mayor eficiencia energética hasta 83.8% durante el ciclo en baterías apróticas de Li-CO2 que otros catalizadores basados en metales (comúnmente con un potencial de carga de más de 3,8 V y una eficiencia energética de hasta 83%).
La combinación de experimentos y cálculos teóricos realizados reveló que las nanoestructuras de Ir 4H/fcc creadas a través de la ingeniería de fases son más favorables para la formación reversible de productos de descarga amorfos/poco cristalinos, lo que reduce el sobrepotencial y promueve la estabilidad cíclica de las reacciones redox electroquímicas.
Las nanoestructuras inusuales de fase 4H/fcc Ir funcionaron mucho mejor que las fcc Ir comunes y lograron un potencial de carga y una eficiencia energética sobresalientes en comparación con otros catalizadores de base metálica reportados utilizados en baterías apróticas de Li-CO2.
“Este estudio revela el gran potencial de la ingeniería de fase de catalizadores en la electroquímica metal-gas. Abre una nueva dirección para diseñar catalizadores para desarrollar sistemas sostenibles de conversión y almacenamiento de energía electroquímica”, dijo Fan.
