Un equipo de investigadores con sede en China descubrió una forma innovadora de superar los problemas de eficiencia energética que hasta ahora han afectado a las baterías de metal y dióxido de carbono.
En concreto, los científicos introdujeron un nanomaterial de fase no convencional como catalizador, lo que aumentó la eficiencia energética de la batería hasta un 83,8%.
En un artículo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, el grupo explica que las baterías de metal y dióxido de carbono pueden proporcionar electricidad duradera (de alta densidad energética) para la electrónica y permitir la fijación del dióxido de carbono sin el consumo de energía adicional de un circuito externo para convertir las emisiones de gases de efecto invernadero en productos de valor añadido.
Investigaciones anteriores han demostrado que la batería de litio y dióxido de carbono tiene una alta densidad energética teórica (1876 Wh kg-1), lo que la convierte en un candidato prometedor para la tecnología de conversión y almacenamiento de energía de alto rendimiento de próxima generación.
Sin embargo, las baterías de metal-CO2 siguen adoleciendo de una cinética de reacción lenta. Esto provoca un gran sobrepotencial, es decir, se necesita más voltaje o energía de la que se determina teóricamente para impulsar la reacción de oxidación-reducción que hace funcionar la batería, una baja eficiencia energética, una escasa reversibilidad y una limitada estabilidad de los ciclos.
«Los investigadores suelen considerar que la morfología, el tamaño, los componentes y la distribución de los componentes metálicos de los catalizadores de cátodos compuestos son los principales problemas que provocan las diferencias en el rendimiento de las baterías», afirma Fan Zhanxi, uno de los investigadores principales del proyecto, en un comunicado de prensa.
«Pero descubrimos que la preparación de nuevos catalizadores con fases no convencionales es una estrategia factible y prometedora para potenciar 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.»
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Iridio sobre oro
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 los 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 un determinado tipo de electroquímica metal-gas aprótica o sin iones de hidrógeno.
«Sin embargo, esto no significa que este proceso sea fácil de realizar, ya que implica requisitos estrictos sobre la bifuncionalidad de los catalizadores catódicos en un entorno orgánico», dijo Fan.
El equipo sintetizó nanoestructuras de iridio con una heterofase 4H/cúbica centrada en la cara (fcc) no convencional controlando la cinética de crecimiento del Ir sobre plantillas de oro. En sus experimentos, el catalizador con heterofase 4H/fcc demostró una meseta de carga más baja (por debajo de 3,61 V) y una mayor eficiencia energética de hasta el 83,8% durante los ciclos en baterías de Li-CO2 apróticas que otros catalizadores basados en metales (normalmente con un potencial de carga de más de 3,8 V y una eficiencia energética de hasta el 75%).
La combinación de experimentos y cálculos teóricos realizados reveló que las nanoestructuras de Ir 4H/fcc creadas mediante ingeniería de fase son más favorables para la formación reversible de productos de descarga amorfos/bajos en cristal, reduciendo así el sobrepotencial y promoviendo la estabilidad de los ciclos de las reacciones electroquímicas redox.
Las nanoestructuras de Iridio de fase inusual 4H/fcc se comportaron mucho mejor que el Iridio fcc común y lograron un potencial de carga y una eficiencia energética extraordinarios en comparación con otros catalizadores de base metálica utilizados en baterías de Li-CO2 apróticas.
«Este estudio revela el gran potencial de la ingeniería de fase de los catalizadores en la electroquímica metal-gas. Abre una nueva vía de diseño de catalizadores para el desarrollo de sistemas electroquímicos sostenibles de conversión y almacenamiento de energía», dijo Fan.
Noticia tomada de: MINING / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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