توسعه باتری های لیتیوم هوا با سنتز کاتالیست جدید

دانشمندان موسسه فناوری Shibaura روشی سریعتر و کارآمدتر برای سنتز CoSn(OH) 6، یک کاتالیزور قدرتمند مورد نیاز برای باتری های لیتیومی-هوای پر انرژی، توسعه داده اند.

CoSn(OH)6 (CSO) یک کاتالیزور موثر واکنش تکامل اکسیژن (OER) است که برای توسعه نسل بعدی باتری‌های لیتیوم - هوا ضروری است.

با این حال، روش های فعلی سنتز CSO پیچیده و کند هستند.

تیم تحقیقاتی بین‌المللی در Shibaura با استفاده از پلاسمای محلول، CSO را در یک مرحله در عرض 20 دقیقه سنتز کردند تا نانوبلورهای CSO با خواص کاتالیزوری عالی OER تولید کنند. یافته های آنها می تواند تولید باتری های با چگالی انرژی بالا را تقویت کند.

کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی و تغییر به منابع انرژی سبز جایگزین به یک سیاست سیاسی در سراسر جهان تبدیل شده است. توسعه وسایل نقلیه الکتریکی حرکتی به این سمت است. با این حال، خودروهای الکتریکی برای عملکرد خود به باتری‌هایی با چگالی انرژی بالا نیاز دارند و باتری‌های لیتیوم یون معمولی این وظیفه را ندارند.

از نظر تئوری، باتری های لیتیوم-هوا چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتری های لیتیوم-یونی ارائه می دهند. با این حال، قبل از اینکه بتوان از آنها استفاده عملی کرد، این باتری ها باید در مصرف انرژی کارآمد شوند، ویژگی های چرخه آنها باید افزایش یابد، و مازاد پتانسیل مورد نیاز برای شارژ/تخلیه واکنش اکسیداسیون و کاهش اکسیژن باید کاهش یابد.

برای رسیدگی به این مسائل، یک کاتالیزور مناسب برای تسریع واکنش تکامل اکسیژن (OER) در داخل باتری مورد نیاز است. OER یک واکنش شیمیایی بسیار مهم است که در تقسیم آب برای بهبود عملکرد باتری های ذخیره سازی نقش دارد.

اکسیدهای فلزات نجیب کمیاب و گران قیمت مانند اکسید روتنیم (IV) (RuO2) و اکسید ایریدیم (IV) (IrO2) معمولاً به عنوان کاتالیزور برای تسریع OER باتری‌های فلز-هوا استفاده می‌شوند. مواد کاتالیزوری مقرون به صرفه تر شامل فلزات واسطه مانند اکسیدها و هیدروکسیدهای نوع پروسکایت هستند که برای OER بسیار فعال هستند.

CoSn(OH) 6 (CSO) یکی از هیدروکسیدهای پروسکایتی است که به عنوان یک کاتالیزور امیدوارکننده OER شناخته شده است. با این حال، روش‌های فعلی سنتز CSO کند هستند (به بیش از 12 ساعت نیاز دارند) و به چندین مرحله نیاز دارند.

در پیشرفت اخیر، تیم تحقیقاتی موسسه فناوری شیباورا در ژاپن، به سرپرستی پروفسور تاکاهیرو ایشیزاکی به همراه آقایان ماساکی ناراهارا و دکتر سانگ وو چائه، تنها در 20 دقیقه تنها با استفاده از یک مرحله موفق به ترکیب CSO شدند! برای دستیابی به این شاهکار قابل توجه، تیم از فرآیند پلاسمای محلول استفاده کردند، روشی پیشرفته برای سنتز مواد در میدان واکنش غیر حرارتی.

این تحقیقات در مجله Sustainable Energy & Fuels منتشر شده است.

این تیم از پراش سنجی اشعه ایکس استفاده کرد تا نشان دهد که CSO بسیار کریستالی را می توان با تنظیم pH به مقادیر بیشتر از 10 تا 12 از یک محلول پیش ساز سنتز کرد. با اندازه های حدود 100-300 نانومتر.

این تیم همچنین از طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس برای بررسی ترکیب و مکان‌های اتصال کریستال‌های CSO استفاده کرد و کبالت (Co) را در حالت دو ظرفیتی و قلع (Sn) را در حالت چهار ظرفیتی در ترکیب یافتند.

در نهایت، تیم از یک روش الکتروشیمیایی برای بررسی خواص CSO به عنوان کاتالیزور OER استفاده کرد. آنها مشاهده کردند که CSO سنتز شده دارای پتانسیل مازاد 350 میلی ولت در چگالی جریان 10 میلی آمپر در سانتی متر مربع است. CSO سنتز شده در pH12 بهترین خاصیت کاتالیزوری را در بین تمام نمونه‌های سنتز شده داشت.

در واقع، این نمونه دارای خواص کاتالیزوری کمی بهتر از RuO2 حتی تجاری بود. این زمانی تایید شد که نمونه pH 12 کمترین پتانسیل را دارد، به ویژه 104 میلی ولت کمتر از RuO2 تجاری موجود در مقابل الکترود هیدروژن برگشت پذیر در 10 میلی آمپر سانتی متر مربع.

به طور کلی، این مطالعه برای اولین بار یک فرآیند آسان و کارآمد را برای سنتز CSO توصیف می کند. این فرآیند CSO را عملاً برای استفاده در باتری‌های لیتیوم-هوا مؤثر می‌سازد و راه جدیدی را به سوی تحقق باتری‌های الکتریکی نسل بعدی باز می‌کند.

CSO سنتز شده خواص الکتروکاتالیستی برتری را برای OER نشان داد. ما امیدواریم که مواد CSO از نوع پروسکایت در دستگاه های انرژی اعمال شود و به عملکرد بالای وسایل نقلیه الکتریکی کمک کند. پروفسور ایشیزاکی نتیجه می گیرد. این به نوبه خود ما را یک گام به سمت دستیابی به بی‌طرفی کربن با فعال کردن یک سیستم انرژی جدید مستقل از سوخت‌های فسیلی نزدیک‌تر می‌کند.

جالب است که ببینیم آیا فناوری هوای لیتیوم می‌تواند به فناوری یون لیتیوم باتری‌های خودروهای الکتریکی نفوذ کند یا خیر. نسخه یونی به آرامی اما مطمئناً اخبار نه چندان خوبی در مورد آتش سوزی ها، خرابی ها و هزینه ها اضافه می کند.

اما فناوری هوا بسیار جدید است و تجربه هزاران باتری در بازار مصرف هنوز ساخته نشده است.    

اینکه کدام یک بهترین، ایمن‌ترین، طولانی‌ترین و کم‌هزینه‌ترین قبل از بازیافت است، هنوز کاملاً دور از ذهن است.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.