Chemiker steigern Leistung umweltfreundlicher Batterien durch Katalysatoren mit unkonventionellen Phasen-Nanostrukturen

"Diese Studie zeigt das große Potenzial der Phasentechnik von Katalysatoren in der Metall-Gas-Elektrochemie"

17.10.2022 - Hong Kong

Die Metall-Kohlendioxid-Batterie ist eine vielversprechende und umweltfreundliche Technologie, aber ihre Energieeffizienz ist begrenzt. Kürzlich entdeckte ein Forscherteam unter der Leitung von Chemikern der City University of Hong Kong (CityU) einen innovativen Weg zur Überwindung dieses Problems durch die Einführung eines unkonventionellen Phasen-Nanomaterials als Katalysator, wodurch die Energieeffizienz der Batterie auf bis zu 83,8 % gesteigert werden konnte. Die Studie zeigt ein neuartiges Design von Katalysatoren für die neue Generation von Meta-Gas-Batterien, die zu kohlenstoffneutralen Zielen beitragen können.

Zhou, Jingwen et al./ doi.org/10.1073/pnas.2204666119

Schematische Darstellung der aprotischen Li-CO2-Batterie.

Die Metall-Kohlendioxid-Batterie kann langlebigen Strom (hohe Energiedichte) für die Elektronik liefern und die Fixierung von Kohlendioxid (CO2) ohne zusätzlichen Energieverbrauch durch einen externen Kreislauf ermöglichen, um CO2-Treibhausgasemissionen in Mehrwertprodukte umzuwandeln. Insbesondere die Lithium-Kohlendioxid-Batterie hat eine hohe theoretische Energiedichte (1876 Wh kg-1), was sie zu einem vielversprechenden Kandidaten für die nächste Generation von Hochleistungs-Energieumwandlungs- und -speichertechnologien macht.

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

Technische Hürden bei herkömmlichen Strategien zur Katalysatormodifikation

"Forscher betrachten üblicherweise die Morphologie, die Größe, die Bestandteile und die Verteilung der metallbasierten Komponenten in zusammengesetzten Kathodenkatalysatoren als die Hauptprobleme, die zu Unterschieden in der Batterieleistung führen", sagte Dr. Fan Zhanxi, Assistenzprofessor am Fachbereich Chemie der CityU und einer der Leiter der Studie. "Wir haben jedoch festgestellt, dass die Herstellung neuartiger Katalysatoren mit unkonventionellen Phasen eine machbare und vielversprechende Strategie ist, um die Energieeffizienz und Leistung von Metall-Gas-Batterien zu steigern, zumal herkömmliche Modifizierungsstrategien für Katalysatoren auf langfristige technische Hürden gestoßen sind."

Dr. Fan und sein Team haben umfangreiche Erfahrungen und Kenntnisse über die genaue Regulierung der Kristallphase von Nanomaterialien auf Metallbasis gesammelt, die es ihnen ermöglichten, geeignete Elemente für die Konstruktion ihrer unkonventionellen Phasen auszuwählen und anschließend die Auswirkungen der Kristallphase von Katalysatoren auf die Reaktionskinetik einer bestimmten Art von aprotischer (d. h. nicht mit Wasserstoffionen verbundener) Metall-Gas-Elektrochemie zu untersuchen. "Dies bedeutet jedoch nicht, dass dieses Verfahren einfach zu realisieren ist, da es 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) Templates kontrollierte. In ihren Experimenten zeigte der Katalysator mit 4H/fcc-Heterophase ein niedrigeres Ladeplateau (unter 3,61 V) und eine höhere Energieeffizienz von bis zu 83,8 % während des Zyklus in aprotischen Li-CO2-Batterien als andere Katalysatoren auf Metallbasis (üblicherweise mit einem Ladepotenzial von über 3,8 V und einer Energieeffizienz von bis zu 75 %).

Hervorragende Leistung von Metallnanomaterialien in unkonventionellen Phasen

Die Kombination aus Experimenten und theoretischen Berechnungen des Teams ergab, dass die durch Phasentechnik erzeugten 4H/fcc-Ir-Nanostrukturen die reversible Bildung von amorphen/niedrigkristallinen Entladungsprodukten begünstigen, wodurch die Überspannung gesenkt und die Zyklenstabilität der elektrochemischen Redoxreaktionen gefördert wird. Die ungewöhnlichen 4H/fcc-Ir-Nanostrukturen schnitten wesentlich besser ab als herkömmliches fcc-Ir und erreichten im Vergleich zu anderen bekannten Katalysatoren auf Metallbasis, die in aprotischen Li-CO2-Batterien verwendet werden, ein hervorragendes Ladepotenzial und eine hervorragende Energieeffizienz.

"Diese Studie zeigt das große Potenzial der Phasentechnik von Katalysatoren in der Metall-Gas-Elektrochemie. Sie eröffnet eine neue Richtung bei der Entwicklung von Katalysatoren für nachhaltige elektrochemische Energieumwandlungs- und -speichersysteme", schloss Dr. Fan.

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