17.03.2020 - Ulsan National Institute of Science and Technology

Neuer Katalysator gibt EV-Batterien der nächsten Generation Auftrieb

Metall-Luft-Batterien (MABs), die Sauerstoff aus der Umgebungsluft als Ressource zur Speicherung und Umwandlung von Energie nutzen, haben aufgrund ihrer großen Speicherkapazität, ihres geringen Gewichts und ihrer Erschwinglichkeit große Aufmerksamkeit für ihren potenziellen Einsatz in Elektrofahrzeugen (electric vehicles, EVs) erhalten. Ein Forschungsteam, das dem UNIST angegliedert ist, hat angekündigt, dass vor kurzem ein neuer Katalysator entwickelt wurde, der die Leistung von MABs, wie z.B. die Entlade- und Ladeeffizienz, steigern könnte.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Guntae Kim von der School of Energy and Chemical Engineering am UNIST hat einen neuen Verbundkatalysator vorgestellt, der die Lade- und Entladeleistung bei MABs effizient verbessern könnte. Es handelt sich um eine Form einer sehr dünnen Schicht von Metalloxidfilmen, die auf einer Oberfläche von Perowskit-Katalysatoren abgelagert sind, und somit verbessert die natürlich gebildete Grenzfläche zwischen den beiden Katalysatoren die Gesamtleistung und Stabilität des neuen Katalysators.

Metall-Luft-Batterien (MABs), in denen Sauerstoff aus der Atmosphäre mit Metallen zur Stromerzeugung reagiert, gehören zu den leichtesten und kompaktesten Batterietypen. Sie sind mit Anoden aus reinen Metallen (d.h. Lithium, Zink, Magnesium und Aluminium) und einer Luftkathode ausgestattet, die an eine unerschöpfliche Luftquelle angeschlossen ist. Aufgrund ihrer hohen theoretischen Energiedichte gelten MABs als ein starkes Kadidat für die Elektrofahrzeuge der nächsten Generation. Die derzeit existierenden MABs verwenden seltene und teure Metallkatalysatoren für ihre Luftelektroden, wie z.B. Platin (Pt). Dies hat ihre weitere Kommerzialisierung auf dem Markt behindert. Als Alternative wurden Perowskit-Katalysatoren vorgeschlagen, die eine ausgezeichnete katalytische Leistung aufweisen, doch gibt es nur geringe Aktivierungsbarrieren.

Professor Kim hat dieses Problem mit einem neuen Verbundkatalysator gelöst, der zwei Arten von Katalysatoren kombiniert, von denen jeder eine ausgezeichnete Leistung bei den Lade- und Entladungsreaktionen zeigte. Der Metallkatalysator (Kobaltoxid), der eine gute Leistung bei der Beschickung aufweist, wird auf einer sehr dünnen Schicht auf dem Mangan-basierten Perowskit-Katalysator (LSM) abgeschieden, der eine gute Leistung bei der Entladung aufweist. Infolgedessen wurde die synergistische Wirkung der beiden Katalysatoren optimal, wenn der Abscheidungsprozess 20 Mal wiederholt wurde.

"Während der wiederholten Abscheidungs- und Oxidationszyklen des Atomlagenabscheidungsprozesses (ALD) diffundieren die Mn-Kationen aus LSM in Co3O4, und daher besteht der LSM-20-Co-Katalysator aus LSM, das mit der selbstrekonstruierenden Spinell-Zwischenschicht (Co3O4/MnCo32O4/LSM) verkapselt ist", sagt Arim Seong (Kombinierter M.S/Ph.D. der Energie- und Chemietechnik, UNIST), der erste Autor der Studie. "Und dies hat die katalytische Aktivität des Hybridkatalysators LSM-20-Co verbessert, was zu überlegenen bifunktionalen elektrochemischen Leistungen für den ORR und den OER in alkalischen Lösungen geführt hat.

"Nach unserem besten Wissen ist dies die erste Studie, die die selbstrekonstruierte Zwischenschicht untersucht, die durch die in-situ-Kationendiffusion während des ALD-Prozesses für den Entwurf eines effizienten und stabilen bifunktionellen Katalysators für alkalische Zink-Luft-Batterien induziert wird", so das Forschungsteam.

"Unsere Ergebnisse liefern die rationale Entwurfsstrategie einer selbstrekonstruierten Zwischenschicht für einen effizienten Elektrokatalysator", sagt Professor Kim. "Daher kann diese Arbeit einen Einblick in die rationale Entwurfsstrategie von Metalloxid mit Perowskitmaterialien geben.

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