Öko stärken

13. Oktober 2022

von der City University of Hong Kong

Die Metall-Kohlendioxid-Batterie ist eine vielversprechende und umweltfreundliche Technologie, ihre Energieeffizienz ist jedoch begrenzt. Kürzlich entdeckte ein Forschungsteam unter gemeinsamer Leitung von Chemikern der City University of Hong Kong (CityU) einen innovativen Weg, dieses Problem zu lösen, indem es ein unkonventionelles Phasen-Nanomaterial als Katalysator einführte und so die Energieeffizienz der Batterie um bis zu 83,8 % steigerte. Die Studie enthüllt ein neuartiges Design von Katalysatoren für die neue Generation von Metagasbatterien, die zu CO2-Neutralitätszielen beitragen können.

Die Metall-Kohlendioxid-Batterie kann langlebigen Strom (hohe Energiedichte) für die Elektronik bereitstellen und die Fixierung von Kohlendioxid (CO2) ohne zusätzlichen Energieverbrauch aus einem externen Kreislauf ermöglichen, um CO2-Treibhausgasemissionen in Mehrwertprodukte umzuwandeln. Insbesondere die Lithium-Kohlendioxid-Batterie verfügt über eine hohe theoretische Energiedichte (1876 Wh kg-1), was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für leistungsstarke Energieumwandlungs- und Speichertechnologien der nächsten Generation macht.

Allerdings leiden Metall-CO2-Batterien immer noch unter einer trägen Reaktionskinetik. Dies führt zu einem großen Überpotential (d. h. es ist mehr Spannung oder Energie erforderlich, als theoretisch ermittelt wird, um die Oxidations-Reduktions-Reaktion anzutreiben, die die Batterie zum Funktionieren bringt), einer geringen Energieeffizienz, einer schlechten Reversibilität und einer eingeschränkten Zyklenstabilität.

„Forscher betrachten Morphologie, Größe, Bestandteile und Verteilung metallbasierter Komponenten in Verbundkathodenkatalysatoren allgemein als die Hauptprobleme, die zu Unterschieden in der Batterieleistung führen“, sagte Dr. Fan Zhanxi, Assistenzprofessor am Fachbereich Chemie an 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 zur Steigerung der Energieeffizienz und Leistung von Metallgasbatterien ist, insbesondere da herkömmliche Modifizierungsstrategien für Katalysatoren auf langfristige technische Hürden gestoßen sind.“

Fan und sein Team sammelten umfangreiche Erfahrungen und Kenntnisse im Zusammenhang mit der präzisen Regulierung der Kristallphase metallbasierter Nanomaterialien, die es ihnen ermöglichten, geeignete Elemente für den Aufbau ihrer unkonventionellen Phasen auszuwählen und anschließend die Wirkung der Kristallphase von Katalysatoren darauf zu untersuchen die Reaktionskinetik einer bestimmten Art aprotischer (dh ohne Beteiligung von Wasserstoffionen) Metall-Gas-Elektrochemie. „Das bedeutet jedoch nicht, dass dieser Prozess einfach zu realisieren ist, da er strenge Anforderungen an die Bifunktionalität von Kathodenkatalysatoren in einer organischen Umgebung stellt“, erklärte Dr. Fan.

Das Team synthetisierte Iridium-Nanostrukturen mit einer unkonventionellen 4H/flächenzentrierten kubischen (fcc) Heterophase, indem es die Wachstumskinetik von Ir auf Gold (Au)-Templaten steuerte. 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 Zyklierens in aprotischen Li-CO2-Batterien als andere metallbasierte Katalysatoren (üblicherweise mit einem Ladungspotential von über 3,61 V). 3,8 V und Energieeffizienz bis zu 75 %).

Die Kombination aus Experimenten und theoretischen Berechnungen des Teams ergab, dass durch Phasentechnik erzeugte 4H/fcc-Ir-Nanostrukturen die reversible Bildung amorpher/niedrigkristalliner Entladungsprodukte begünstigen, wodurch das Überpotential gesenkt und die Zyklenstabilität des elektrochemischen Redoxs gefördert wird Reaktionen. Die ungewöhnlichen Phasen-4H/fcc-Ir-Nanostrukturen zeigten eine viel bessere Leistung als gewöhnliches fcc-Ir und erzielten im Vergleich zu anderen berichteten metallbasierten Katalysatoren, die in aprotischen Li-CO2-Batterien verwendet werden, ein hervorragendes Ladungspotential und eine hervorragende Energieeffizienz.

„Diese Studie zeigt das große Potenzial der Phasentechnik von Katalysatoren in der Metall-Gas-Elektrochemie. Sie eröffnet eine neue Richtung für die Entwicklung von Katalysatoren für die Entwicklung nachhaltiger elektrochemischer Energieumwandlungs- und Speichersysteme“, schloss Dr. Fan.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht.

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

Zeitschrifteninformationen:Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften

Zur Verfügung gestellt von der City University of Hong Kong