Los químicos mejoran el rendimiento de las baterías ecológicas utilizando catalizadores con nanoestructuras de fase no convencional

La batería de metal y dióxido de carbono es una tecnología prometedora y respetuosa con el medio ambiente, pero su eficiencia energética es limitada. Recientemente, un equipo de investigación codirigido por químicos de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) descubrió una forma innovadora de superar este problema introduciendo un nanomaterial de fase no convencional como catalizador, lo que aumenta la eficiencia energética de la batería hasta un 83,8%. El estudio revela un novedoso diseño de catalizadores para la nueva generación de baterías de meta-gas que puede contribuir a los objetivos de neutralidad de carbono.

La batería de metal y dióxido de carbono puede proporcionar electricidad duradera (alta densidad energética) para la electrónica, y permitir la fijación del dióxido de carbono (CO₂) sin consumo de energía adicional de un circuito externo para convertir las emisiones de gases de efecto invernadero de CO₂ en productos de valor añadido. En concreto, 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 determinada 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.

Obstáculos técnicos de las estrategias tradicionales de modificación de catalizadores

"Los investigadores suelen considerar que la morfología, el tamaño, los constituyentes y la distribución de los componentes metálicos en los catalizadores de cátodos compuestos son los principales problemas que provocan diferencias en el rendimiento de las baterías", explica el Dr. Fan Zhanxi, profesor adjunto del Departamento de Química de CityU y uno de los responsables del estudio. "Pero descubrimos que la preparación de nuevos catalizadores con fases no convencionales es una estrategia factible y prometedora para impulsar 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".

El Dr. 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 (es decir, que no implica 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", explicó el Dr. Fan.

El equipo sintetizó nanoestructuras de iridio con una heterofase no convencional 4H/cubo centrado en la cara (fcc) controlando la cinética de crecimiento del Ir sobre plantillas de oro (Au). 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 (comúnmente con un potencial de carga de más de 3,8 V y una eficiencia energética de hasta el 75%).

Rendimiento excepcional de los nanomateriales metálicos en fase no convencional

La combinación de experimentos y cálculos teóricos llevada a cabo por el equipo reveló que las nanoestructuras de Ir 4H/fcc creadas mediante ingeniería de fases son más favorables para la formación reversible de productos de descarga amorfos/bajos en cristal, lo que reduce el sobrepotencial y favorece la estabilidad de los ciclos de las reacciones electroquímicas redox. Las nanoestructuras de Ir de fase inusual 4H/fcc se comportaron mucho mejor que el Ir 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 fases de los catalizadores en la electroquímica metal-gas. Abre una nueva vía de diseño de catalizadores para el desarrollo de sistemas sostenibles de conversión y almacenamiento de energía electroquímica", concluyó el Dr. Fan.