بهبود عملکرد باتری با کاتالیزور‌هایی با نانوساختار‌های فازی غیرمتعارف

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، باتری دی اکسید کربن فلزی یک فناوری امیدوارکننده و سازگار با محیط زیست است، اما بازده انرژی آن محدود است. به تازگی، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی شیمیدانان از دانشگاه سیتی هنگ کنگ (CityU) با معرفی یک نانو ماده فاز غیرمتعارف به عنوان کاتالیزور، روشی نوآورانه برای غلبه بر این مشکل ارائه کرده‌اند که بازده انرژی باتری را تا ۸۳٫۸ درصد افزایش می‌دهد. این مطالعه طراحی جدیدی از کاتالیزور‌ها را برای نسل جدید باتری‌های متا گاز نشان می‌دهد.

باتری دی اکسید کربن فلزی می‌تواند الکتریسیته بادوام (چگالی انرژی بالا) برای وسایل الکترونیکی فراهم کند و تثبیت دی اکسید کربن (CO ۲) را بدون مصرف انرژی اضافی از یک مدار خارجی برای تبدیل گاز‌های گلخانه‌ای CO ۲ به محصولات با ارزش افزوده امکان‌پذیر می‌کند.

به طور خاص، باتری لیتیوم دی اکسید کربن دارای چگالی انرژی نظری بالایی است (۱۸۷۶ Wh kg-۱)، که آن را به یک نامزد امیدوارکننده برای نسل بعدی فناوری تبدیل انرژی و ذخیره‌سازی با عملکرد بالا تبدیل می‌کند.

با این حال، باتری‌های فلز CO ۲ هنوز از سینتیک واکنش کند رنج می‌برند. این موضوع باعث افزایش پتانسیل اضافه مورد نیاز می‌شود (یعنی ولتاژ یا انرژی بیشتری نسبت به آنچه که در تئوری برای ایجاد واکنش اکسیداسیون/احیاء که باعث کارکرد باتری می‌شود، مورد نیاز است)، همچنین راندمان انرژی پایین، برگشت‌پذیری ضعیف و پایداری چرخه‌ای محدود از دیگر مشکلات این فناوری است.

فان ژانشی، استادیار دپارتمان شیمی در CityU می‌گوید: «محققان معمولاً مورفولوژی، اندازه، اجزای تشکیل‌دهنده و توزیع اجزای مبتنی بر فلز در کاتالیزور‌های کاتدی مرکب را نگرانی‌های اصلی می‌دانند که منجر به تفاوت در عملکرد باتری می‌شود. اما ما دریافتیم که تهیه کاتالیزور‌های جدید با فاز‌های غیرمتعارف، راهبردی عملی و امیدوارکننده برای افزایش بهره‌وری انرژی و عملکرد باتری‌های فلزی گازی است، به ویژه از آنجایی که راهبرد‌های اصلاح سنتی برای کاتالیست‌ها با موانع فنی طولانی مدت مواجه شده است.»

فن و تیمش تجربیات و دانش گسترده‌ای در رابطه با تنظیم دقیق فاز بلوری نانومواد مبتنی بر فلز به دست آوردند، که آن‌ها را قادر ساخت عناصر مناسبی را برای ساخت فاز‌های غیرمتعارف خود انتخاب کنند. فن توضیح داد: «با این حال، این بدان معنا نیست که تحقق این فرآیند آسان است، زیرا شامل الزامات سختگیرانه در مورد کاتالیزور‌های کاتدی در یک محیط آلی است.»

این تیم نانوساختار‌های ایریدیوم را با هتروفاز مکعبی (fcc) غیر متعارف ۴ H/face-centred با کنترل سینتیک رشد آهن روی الگو‌های طلا (Au) سنتز کردند. در آزمایش‌های خود، کاتالیزور با هتروفاز ۴ H/fcc فلات شارژ کمتر (زیر ۳٫۶۱ ولت) و راندمان انرژی بالاتر تا ۸۳٫۸ درصد در طول چرخه در باتری‌های لیتیوم دی‌اکسید کربن نسبت به سایر کاتالیزور‌های مبتنی بر فلز نشان داد.

ترکیبی از آزمایش‌ها و محاسبات نظری انجام‌شده توسط این تیم نشان داد که نانوساختار‌های ۴ H/fcc Ir که از طریق مهندسی فاز ایجاد شده‌اند برای تشکیل برگشت‌پذیر محصولات مطلوب‌تر هستند. در نتیجه پتانسیل اضافی را کاهش داده و پایداری واکنش‌های ردوکس الکتروشیمیایی را ارتقا می‌دهند.