Las baterías de metal-dióxido de carbono son una tecnología prometedora y respetuosa con el medio ambiente, pero su eficiencia energética es limitada. Recientemente, un equipo de investigación codirigido por químicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) descubrió una forma innovadora de superar este problema mediante la introducción de un nanomaterial de fase no convencional como catalizador, lo que aumenta la eficiencia energética de la batería hasta en un 83,8 %.
El estudio revela un diseño novedoso de catalizadores para la nueva generación de baterías de meta-gas que pueden contribuir a objetivos neutrales en carbono.
Figura 1. Ilustración esquemática de la batería aprótica de Li-CO2. (Crédito de la foto: Zhou, J. et al./ DOI: 10.1073/pnas.2204666119)
Dióxido de Carbono para baterías ecológicas
La batería de dióxido de carbono metálico puede proporcionar electricidad duradera (alta densidad de energía) para la electrónica y permitir la fijación de dióxido de carbono (CO 2 ) sin el consumo de energía adicional de un circuito externo para convertir las emisiones de gases de efecto invernadero de CO 2 en productos de valor agregado (Figura 1 ). En particular, la batería de dióxido de carbono y litio tiene una alta densidad de energía teórica (1876 Wh kg -1 ), lo que la convierte en un candidato prometedor para la tecnología de almacenamiento y conversión de energía de alto rendimiento de próxima generación.
Sin embargo, las baterías de metal-CO2 todavía sufren de 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 ciclos limitada.
Obstáculos técnicos en las estrategias tradicionales de modificación de catalizadores
«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 la batería», dijo el Dr. Fan Zhanxi, profesor asistente en el Departamento de Química de CityU, y uno de los líderes del estudio. “Pero descubrimos que la preparación de nuevos catalizadores 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 los catalizadores han encontrado obstáculos técnicos a largo plazo”.
El Dr. 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 elementos adecuados para construir sus fases no convencionales y, posteriormente, estudiar el efecto de la fase cristalina de los catalizadores en la cinética de reacción de cierto tipo de electroquímica metal-gas aprótica (es decir, que no involucra 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», explicó el Dr. Fan.
Nanoestructuras para los catalizadores
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 (Au) (Figura 2). En sus experimentos, el catalizador con heterofase 4H/fcc demostró una meseta de carga más baja (por debajo de 3,61 V) (Figura 3) y una mayor eficiencia energética de hasta un 83,8 % durante el ciclo en baterías apróticas de Li-CO 2 que otros catalizadores basados en metales (comúnmente con un potencial de carga superior a 3,8 V y una eficiencia energética de hasta el 75 %).
Desempeño sobresaliente de nanomateriales metálicos en fase no convencional
La combinación de experimentos y cálculos teóricos realizados por el equipo reveló que las nanoestructuras de 4H/fcc Ir creadas a través de la ingeniería de fase son más favorables para la formación reversible de productos de descarga amorfos/poco cristalinos (Figura 4), lo que reduce el sobrepotencial y promueve el ciclo de estabilidad de reacciones redox electroquímicas. Las inusuales nanoestructuras de fase 4H/fcc Ir funcionaron mucho mejor que las fcc Ir comunes y lograron un potencial de carga y una eficiencia energética excepcionales en comparación con otros catalizadores basados en metales que se han utilizado 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”, concluyó el Dr. Fan.
Los hallazgos fueron publicados recientemente en la revista científica The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) bajo el título “Boosting the react kinetics in aprotic litio-carbonoxide connections with unconventional phase metal nanomaterials”.
Los primeros autores son el Sr. Zhou Jingwen y el Dr. Liao Lingwen , de CityU, el Dr. Wang Tianshuai de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) y el Sr. Chen Lin de la Academia China de Ingeniería Física (CAEP). Los autores correspondientes son el Dr. Fan Zhanxi, de CityU, el profesor Zhao Tianshou , de HKUST, el profesor Gu Lin , del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China, y el profesor Cheng Jianli , de CAEP. Otros miembros del equipo de CityU incluyen al profesor Lee Chun-Sing , al Dr. Chen Bo , al Dr. Guan Zhiqiang, y un grupo de estudiantes de doctorado del Departamento de Química. Las principales fuentes de financiación fueron la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (NSFC), la Comisión de Innovación y Tecnología (ITC) de Hong Kong, la Sucursal de Hong Kong del Centro Nacional de Investigación de Ingeniería de Materiales de Metales Preciosos (NPMM) y CityU.
Documento: Impulsar la cinética de reacción en baterías apróticas de dióxido de carbono y litio con nanomateriales metálicos en fase no convencional. Jingwen Zhou et al, Boosting the reaction kinetics in aprotic lithium-carbon dioxide batteries with unconventional phase metal nanomaterials, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204666119
Fuente: Universidad de Hong Kong City
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