Die Metall-Kohlendioxid-Batterie ist eine vielversprechende und umweltfreundliche Technologie, aber ihre Energieeffizienz ist begrenzt. Kürzlich entdeckte ein Forschungsteam unter der gemeinsamen Leitung von Chemikern der City University of Hong Kong (CityU) einen innovativen Weg, um dieses Problem zu lösen, indem es ein Nanomaterial mit unkonventioneller Phase als Katalysator einführte, wodurch die Energieeffizienz der Batterie um bis zu 83,8 % gesteigert wurde. Die Studie zeigt ein neuartiges Design von Katalysatoren für die neue Generation von Meta-Gas-Batterien, die zu den Zielen der CO2-Neutralität beitragen können.
Die Metall-Kohlendioxid-Batterie kann dauerhaft Strom (hohe Energiedichte) für die Elektronik liefern und die Fixierung von Kohlendioxid (CO2) ohne zusätzlichen Energieverbrauch aus einem externen Kreislauf ermöglichen, um CO2-Treibhausgasemissionen in Produkte mit Mehrwert umzuwandeln (Abbildung 1). Insbesondere die Lithium-Kohlendioxid-Batterie hat eine hohe theoretische Energiedichte (1876 Wh kg-1), was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Hochleistungs-Energieumwandlungs- und Speichertechnologie der nächsten Generation macht.
Allerdings leiden Metall-CO2-Batterien immer noch unter einer trägen Reaktionskinetik. Dies verursacht ein großes Überpotential (dh es ist mehr Spannung oder Energie erforderlich, als theoretisch bestimmt ist, um die Oxidations-Reduktions-Reaktion anzutreiben, die die Batterie zum Laufen bringt), eine niedrige Energieeffizienz, eine schlechte Reversibilität und eine begrenzte Zyklenstabilität.
Technische Hürden bei traditionellen Katalysatormodifikationsstrategien
„Forscher betrachten Morphologie, Größe, Bestandteile und Verteilung von Komponenten auf Metallbasis in Verbundkathodenkatalysatoren im Allgemeinen als die Hauptprobleme, die zu Unterschieden in der Batterieleistung führen“, sagte Dr. Fan Zhanxi, Assistenzprofessor am Department of Chemistry der CityU. und einer der Leiter der Studie.
„Aber wir haben festgestellt, dass die Herstellung neuartiger Katalysatoren mit unkonventionellen Phasen eine praktikable und vielversprechende Strategie ist, um die Energieeffizienz und Leistung von Metallgasbatterien zu steigern, zumal traditionelle Modifizierungsstrategien für Katalysatoren auf langfristige technische Hürden gestoßen sind.“
Dr. Fan und sein Team sammelten umfangreiche Erfahrungen und Kenntnisse in Bezug auf die genaue Regulierung der Kristallphase von Nanomaterialien auf Metallbasis, die es ihnen ermöglichten, geeignete Elemente zum Aufbau ihrer unkonventionellen Phasen auszuwählen und anschließend die Wirkung der Kristallphase von Katalysatoren zu untersuchen die Reaktionskinetik einer bestimmten Art aprotischer (dh ohne Beteiligung von Wasserstoffionen) Metall-Gas-Elektrochemie. „Das bedeutet jedoch nicht, dass dieses Verfahren einfach zu realisieren ist, da es strenge Anforderungen an die Bifunktionalität von Kathodenkatalysatoren in organischer Umgebung stellt“, erklärt Dr. Fan.
Das Team synthetisierte Iridium-Nanostrukturen mit einer unkonventionellen 4H/flächenzentrierten kubischen (fcc) Heterophase, indem es die Wachstumskinetik von Ir auf Gold (Au)-Templates kontrollierte. In ihren Experimenten zeigte der Katalysator mit 4H/fcc-Heterophase ein niedrigeres Ladungsplateau (unter 3,61 V) und eine höhere Energieeffizienz von bis zu 83,8 % während des Zyklisierens in aprotischen Li-CO2-Batterien als andere metallbasierte Katalysatoren (üblicherweise mit einem Ladungspotential von über 3,8 V und Energieeffizienz bis zu 75 %).
Hervorragende Leistung von unkonventionellen Phasenmetall-Nanomaterialien
Die vom Team durchgeführte Kombination aus Experimenten und theoretischen Berechnungen ergab, dass 4H/fcc Ir-Nanostrukturen, die durch Phasentechnik erzeugt wurden, günstiger für die reversible Bildung von amorphen/niederkristallinen Entladungsprodukten sind (Abbildung 2), wodurch die Überspannung gesenkt und die Zyklisierung gefördert wird Stabilität elektrochemischer Redoxreaktionen. Die ungewöhnlichen Phasen-4H/fcc-Ir-Nanostrukturen zeigten eine viel bessere Leistung als herkömmliches fcc-Ir und erzielten im Vergleich zu anderen berichteten metallbasierten Katalysatoren, die in aprotischen Li-CO2-Batterien verwendet werden, ein hervorragendes Ladepotential und eine hervorragende Energieeffizienz.
„Diese Studie zeigt das große Potenzial des Phasen-Engineerings von Katalysatoren in der Metallgas-Elektrochemie. Sie eröffnet eine neue Richtung für das Design von Katalysatoren zur Entwicklung nachhaltiger elektrochemischer Energieumwandlungs- und Speichersysteme“, schloss Dr. Fan.
Die Ergebnisse wurden kürzlich in der veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), mit dem Titel „Steigerung der Reaktionskinetik in aprotischen Lithium-Kohlendioxid-Batterien mit unkonventionellen Phasenmetall-Nanomaterialien“.
Mehr Informationen:
Jingwen Zhou et al, Steigerung der Reaktionskinetik in aprotischen Lithium-Kohlendioxid-Batterien mit unkonventionellen Phasenmetall-Nanomaterialien, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204666119
Bereitgestellt von der City University of Hong Kong (CityU)