Promuovere l’eco

13 ottobre 2022

dalla City University di Hong Kong

La batteria al biossido di carbonio metallico è una tecnologia promettente ed ecologica, ma la sua efficienza energetica è limitata. Recentemente, un gruppo di ricerca guidato da chimici della City University di Hong Kong (CityU) ha scoperto un modo innovativo per superare questo problema introducendo un nanomateriale di fase non convenzionale come catalizzatore, aumentando l’efficienza energetica della batteria fino all’83,8%. Lo studio rivela un nuovo design di catalizzatori per la nuova generazione di batterie a metagas che possono contribuire al raggiungimento degli obiettivi di neutralità del carbonio.

La batteria metallo-anidride carbonica può fornire elettricità duratura (alta densità di energia) per i dispositivi elettronici e consentire la fissazione dell’anidride carbonica (CO2) senza consumo aggiuntivo di energia da un circuito esterno per convertire le emissioni di gas serra di CO2 in prodotti a valore aggiunto. In particolare, la batteria al litio-anidride carbonica ha un’elevata densità energetica teorica (1876 Wh kg-1), rendendola un candidato promettente per la tecnologia di conversione e stoccaggio dell’energia ad alte prestazioni di prossima generazione.

Tuttavia, le batterie metallo-CO2 soffrono ancora di una cinetica di reazione lenta. Ciò causa un grande sovrapotenziale (vale a dire, è necessaria più tensione o energia di quella teoricamente determinata per attivare la reazione di ossido-riduzione che fa funzionare la batteria), bassa efficienza energetica, scarsa reversibilità e stabilità del ciclo limitata.

"I ricercatori comunemente considerano la morfologia, le dimensioni, i costituenti e la distribuzione dei componenti a base metallica nei catalizzatori catodici compositi come le principali preoccupazioni che portano a differenze nelle prestazioni della batteria", ha affermato il dottor Fan Zhanxi, professore assistente presso il Dipartimento di Chimica della CityU, e uno dei leader dello studio. “Ma abbiamo scoperto che la preparazione di nuovi catalizzatori con fasi non convenzionali è una strategia fattibile e promettente per aumentare l’efficienza energetica e le prestazioni delle batterie metallo-gas, soprattutto perché le tradizionali strategie di modifica dei catalizzatori hanno incontrato ostacoli tecnici a lungo termine”.

Il Dr. Fan e il suo team hanno accumulato una vasta esperienza e conoscenza relativa alla precisa regolazione della fase cristallina dei nanomateriali a base metallica, che ha permesso loro di selezionare elementi adatti per costruire le loro fasi non convenzionali e successivamente studiare l'effetto della fase cristallina dei catalizzatori su la cinetica di reazione di un certo tipo di elettrochimica metallo-gas aprotica (cioè che non coinvolge ioni idrogeno). "Tuttavia, ciò non significa che questo processo sia facile da realizzare perché comporta requisiti severi sulla bifunzionalità dei catalizzatori catodici in un ambiente organico", ha spiegato il dott. Fan.

Il team ha sintetizzato nanostrutture di iridio con un'eterofase cubica (fcc) non convenzionale 4H/a facce centrate, controllando la cinetica di crescita di Ir su modelli di oro (Au). Nei loro esperimenti, il catalizzatore con eterofase 4H/fcc ha dimostrato un plateau di carica inferiore (sotto 3,61 V) e una maggiore efficienza energetica fino all'83,8% durante il ciclo in batterie Li-CO2 aprotiche rispetto ad altri catalizzatori a base metallica (comunemente con potenziale di carica superiore a 3,8 V ed efficienza energetica fino al 75%).

La combinazione di esperimenti e calcoli teorici condotti dal team ha rivelato che le nanostrutture 4H/fcc Ir create attraverso l'ingegneria di fase sono più favorevoli per la formazione reversibile di prodotti di scarica amorfi/basso-cristallini, riducendo così il sovrapotenziale e promuovendo la stabilità ciclica del redox elettrochimico reazioni. Le insolite nanostrutture di fase 4H/fcc Ir hanno funzionato molto meglio del comune Ir fcc e hanno raggiunto un potenziale di carica ed un'efficienza energetica eccezionali rispetto ad altri catalizzatori a base metallica segnalati utilizzati nelle batterie aprotiche Li-CO2.

"Questo studio rivela il grande potenziale dell'ingegneria di fase dei catalizzatori nell'elettrochimica metallo-gas. Apre una nuova direzione per progettare catalizzatori per lo sviluppo di sistemi sostenibili di conversione e stoccaggio dell'energia elettrochimica", ha concluso il dott. Fan.