La batteria metallo-biossido di carbonio 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 metagas che possono contribuire agli obiettivi di neutralità del carbonio.
La batteria metallo-biossido di carbonio può fornire elettricità duratura (ad alta densità energetica) per l'elettronica e consentire la fissazione dell'anidride carbonica (CO2) senza consumo di energia supplementare da parte di un circuito esterno per convertire le emissioni di gas serra di CO2 in prodotti a valore aggiunto. In particolare, la batteria litio-biossido di carbonio ha un'elevata densità energetica teorica (1876 Wh kg-1), che la rende 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 provoca un forte sovra-potenziale (cioè è necessaria una tensione o un'energia maggiore di quella teorica per azionare la reazione di ossido-riduzione che fa funzionare la batteria), una bassa efficienza energetica, una scarsa reversibilità e una limitata stabilità dei cicli.
Ostacoli tecnici nelle strategie tradizionali di modifica dei catalizzatori
"I ricercatori considerano comunemente la morfologia, le dimensioni, i costituenti e la distribuzione dei componenti a base di metallo nei catalizzatori catodici compositi come le principali preoccupazioni che portano a differenze nelle prestazioni delle batterie", ha detto il dottor Fan Zhanxi, assistente professore 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".
Fan e il suo team hanno accumulato una vasta esperienza e conoscenze relative alla regolazione precisa della fase cristallina dei nanomateriali a base metallica, che ha permesso loro di selezionare gli elementi adatti per costruire le loro fasi non convenzionali e successivamente studiare l'effetto della fase cristallina dei catalizzatori sulla 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 rigorosi sulla bifunzionalità dei catalizzatori catodici in un ambiente organico", ha spiegato il dottor Fan.
Il team ha sintetizzato nanostrutture di iridio con un'eterofase non convenzionale 4H/ cubica a facce centrate (fcc) controllando la cinetica di crescita dell'Ir su modelli di oro (Au). Nei loro esperimenti, il catalizzatore con eterofase 4H/fcc ha dimostrato un plateau di carica più basso (inferiore a 3,61 V) e un'efficienza energetica più elevata, fino all'83,8%, durante i cicli in batterie Li-CO2 aprotiche, rispetto ad altri catalizzatori a base di metalli (comunemente con un potenziale di carica superiore a 3,8 V e un'efficienza energetica fino al 75%).
Prestazioni eccezionali dei nanomateriali metallici in fase non convenzionale
La combinazione di esperimenti e calcoli teorici condotta dal team ha rivelato che le nanostrutture di Ir in fase 4H/fcc create attraverso l'ingegneria di fase sono più favorevoli alla formazione reversibile di prodotti di scarica amorfi/basso-cristallini, abbassando così il sovrapotenziale e promuovendo la stabilità del ciclo delle reazioni redox elettrochimiche. Le nanostrutture di Ir in fase insolita 4H/fcc si sono comportate molto meglio del comune Ir fcc e hanno raggiunto un potenziale di carica e un'efficienza energetica eccezionali rispetto ad altri catalizzatori a base di metallo utilizzati nelle batterie Li-CO2 aprotiche.
Profili di carica e scarica dei catodi Au@4H/fcc-Irx e Au+fcc-Ir0,14 preparati in una batteria Li-CO2 aprotica. Crediti: Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2204666119
"Questo studio rivela il grande potenziale dell'ingegneria di fase dei catalizzatori nell'elettrochimica metallo-gas. Apre una nuova direzione alla progettazione di catalizzatori per lo sviluppo di sistemi sostenibili di conversione e stoccaggio dell'energia elettrochimica", ha concluso Fan.