Stimuler l'éco

13 octobre 2022

par l'Université de la ville de Hong Kong

La batterie métal-dioxyde de carbone est une technologie prometteuse et respectueuse de l'environnement, mais son efficacité énergétique est limitée. Récemment, une équipe de recherche co-dirigée par des chimistes de la City University of Hong Kong (CityU) a découvert un moyen innovant de surmonter ce problème en introduisant un nanomatériau de phase non conventionnel comme catalyseur, augmentant l'efficacité énergétique de la batterie jusqu'à 83,8 %. L'étude révèle une nouvelle conception de catalyseurs pour la nouvelle génération de batteries à méta-gaz qui peuvent contribuer aux objectifs de neutralité carbone.

La batterie métal-dioxyde de carbone peut fournir une électricité durable (densité énergétique élevée) pour l'électronique et permettre la fixation du dioxyde de carbone (CO2) sans consommation d'énergie supplémentaire à partir d'un circuit externe pour convertir les émissions de gaz à effet de serre CO2 en produits à valeur ajoutée. En particulier, la batterie au lithium-dioxyde de carbone a une densité d'énergie théorique élevée (1876 Wh kg-1), ce qui en fait un candidat prometteur pour la technologie de conversion et de stockage d'énergie haute performance de nouvelle génération.

Cependant, les batteries métal-CO2 souffrent toujours d'une cinétique de réaction lente. Cela provoque un surpotentiel important (c'est-à-dire qu'il faut plus de tension ou d'énergie que ce qui est théoriquement déterminé pour entraîner la réaction d'oxydo-réduction qui fait fonctionner la batterie), une faible efficacité énergétique, une mauvaise réversibilité et une stabilité de cycle limitée.

« Les chercheurs considèrent généralement que la morphologie, la taille, les constituants et la distribution des composants à base de métal dans les catalyseurs cathodiques composites sont les principales préoccupations qui entraînent des différences de performances des batteries », a déclaré le Dr Fan Zhanxi, professeur adjoint au département de chimie de CityU et l'un des responsables de l'étude. "Mais nous avons découvert que la préparation de nouveaux catalyseurs avec des phases non conventionnelles était une stratégie réalisable et prometteuse pour améliorer l'efficacité énergétique et les performances des batteries métal-gaz, d'autant plus que les stratégies traditionnelles de modification des catalyseurs ont rencontré des obstacles techniques à long terme."

Le Dr Fan et son équipe ont accumulé une vaste expérience et des connaissances liées à la régulation précise de la phase cristalline des nanomatériaux à base de métal, ce qui leur a permis de sélectionner des éléments appropriés pour construire leurs phases non conventionnelles et d'étudier ensuite l'effet de la phase cristalline des catalyseurs sur la cinétique de réaction d'un certain type d'électrochimie métal-gaz aprotique (c'est-à-dire n'impliquant pas d'ions hydrogène). "Cependant, cela ne signifie pas que ce processus est facile à réaliser car il implique des exigences strictes sur la bifonctionnalité des catalyseurs cathodiques dans un environnement organique", a expliqué le Dr Fan.

L'équipe a synthétisé des nanostructures d'iridium avec une hétérophase cubique non conventionnelle 4H/face centrée (fcc) en contrôlant la cinétique de croissance d'Ir sur des matrices d'or (Au). Dans leurs expériences, le catalyseur avec hétérophase 4H/fcc a démontré un plateau de charge inférieur (inférieur à 3,61 V) et une efficacité énergétique supérieure jusqu'à 83,8 % pendant le cyclage dans des batteries Li-CO2 aprotiques par rapport aux autres catalyseurs à base de métal (généralement avec un potentiel de charge supérieur à 3,8 V et une efficacité énergétique jusqu'à 75 %).

La combinaison d'expériences et de calculs théoriques menés par l'équipe a révélé que les nanostructures 4H/fcc Ir créées par ingénierie de phase sont plus favorables à la formation réversible de produits de décharge amorphes/faiblement cristallins, réduisant ainsi la surtension et favorisant la stabilité du cycle des réactions redox électrochimiques. Les nanostructures inhabituelles de phase 4H/fcc Ir ont obtenu de bien meilleurs résultats que les fcc Ir ordinaires et ont atteint un potentiel de charge et une efficacité énergétique exceptionnels par rapport aux autres catalyseurs à base de métal rapportés utilisés dans les batteries Li-CO2 aprotiques.

« Cette étude révèle le grand potentiel de l'ingénierie de phase des catalyseurs dans l'électrochimie métal-gaz. Elle ouvre une nouvelle direction pour concevoir des catalyseurs pour développer des systèmes durables de conversion et de stockage d'énergie électrochimique », a conclu le Dr Fan.

Les résultats ont été récemment publiés dans les Actes de l'Académie nationale des sciences.

Plus d'information: Jingwen Zhou et al, Boosting the reaction kinetics in aprotic lithium-carbon dioxide batteries with nonconventional phase metal nanomaterials, Actes de l'Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2204666119

Informations sur la revue :Actes de l'Académie nationale des sciences

Fourni par l'Université de la ville de Hong Kong