Des chimistes améliorent les performances des batteries écologiques en utilisant des catalyseurs dotés de nanostructures à phase non conventionnelle

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 codirigée par des chimistes de la City University of Hong Kong (CityU) a découvert un moyen innovant de surmonter ce problème en introduisant un nanomatériau à phase non conventionnelle comme catalyseur, ce qui a permis d'augmenter l'efficacité énergétique de la batterie jusqu'à 83,8 %. L'étude révèle une nouvelle conception des catalyseurs pour la nouvelle génération de batteries au méta-gaz qui peuvent contribuer aux objectifs de neutralité carbone.

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

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

Obstacles techniques des stratégies traditionnelles de modification des catalyseurs

"Les chercheurs considèrent généralement que la morphologie, la taille, les constituants et la distribution des composants à base de métal dans les catalyseurs de cathodes composites sont les principaux problèmes qui entraînent des différences dans les 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 trouvé que la préparation de nouveaux catalyseurs avec des phases non conventionnelles était une stratégie faisable et prometteuse pour stimuler 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 expérience et des connaissances approfondies liées à la régulation précise de la phase cristalline des nanomatériaux à base de métaux, 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). "Toutefois, cela ne signifie pas que ce procédé 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 non conventionnelle 4H/cubique à faces centrées (fcc) en contrôlant la cinétique de croissance de l'Ir sur des gabarits d'or (Au). Dans leurs expériences, le catalyseur avec l'hétérophase 4H/fcc a démontré un plateau de charge plus faible (inférieur à 3,61 V) et une efficacité énergétique plus élevée jusqu'à 83,8 % pendant le cycle dans les batteries Li-CO₂ aprotiques que les autres catalyseurs à base de métal (généralement avec un potentiel de charge de plus de 3,8 V et une efficacité énergétique jusqu'à 75 %).

Performances exceptionnelles des nanomatériaux métalliques à phase non conventionnelle

La combinaison des expériences et des calculs théoriques menés par l'équipe a révélé que les nanostructures Ir 4H/fcc créées par ingénierie de phase sont plus favorables à la formation réversible de produits de décharge amorphes/faiblement cristallins, abaissant ainsi le surpotentiel et favorisant la stabilité cyclique des réactions redox électrochimiques. Les nanostructures Ir de phase inhabituelle 4H/fcc ont donné de bien meilleurs résultats que l'Ir fcc commun, et ont atteint un potentiel de charge et un rendement énergétique exceptionnels par rapport à d'autres catalyseurs à base de métal 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 voie à la conception de catalyseurs pour le développement de systèmes durables de conversion et de stockage de l'énergie électrochimique", a conclu le Dr Fan.