Nuevo catalizador para baterías recargables de metal-aire

La investigación en baterías de iones de litio ha abierto una plétora de posibilidades en el desarrollo de baterías de próxima generación. En particular, las baterías de metal-aire con una densidad de energía significativamente mayor que la de la gasolina por kilogramo, han sido recientemente reconocidas e invertidas por compañías líderes mundiales, como IBM.

Un estudio reciente, afiliado a UNIST, ha presentado un nuevo catalizador para acelerar la comercialización de baterías de metal y aire. Este avance ha sido liderado conjuntamente por el Profesor Guntae Kim y el Profesor Jaephil Cho en la Escuela de Energía e Ingeniería Química en UNIST en colaboración con el Profesor Yunfei Bu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Nanjing, Nanjing, China. Su nuevo catalizador posee la estructura de materiales de perovskita a base de nanofibras y exhibe un excelente rendimiento electroquímico, cercano al de los catalizadores de metales preciosos de hoy en día, pero aún es económico.

Una batería de metal y aire es un tipo de pila de combustible o batería que utiliza la oxidación de un metal con oxígeno del aire atmosférico para producir electricidad. Está equipado con un ánodo compuesto de metales puros, como litio o zinc, y un cátodo de aire que está conectado a una fuente inagotable de aire. Los catalizadores en el cátodo de aire ayudan a la reacción electroquímica de la célula con oxígeno gaseoso. Las baterías de metal y aire han atraído una importante atención de investigación como la nueva generación de baterías de alto rendimiento, ya que tienen las ventajas de (1) una estructura simple, (2) una densidad de energía extremadamente alta y (3) una producción relativamente económica.

Las baterías de aire-metal actualmente existentes usan catalizadores metálicos raros y caros para sus electrodos de aire, como el platino (Pt) y el óxido de iridio (IrO?). Esto ha impedido su posterior comercialización en el mercado.

En el estudio, el profesor Kim y su equipo de investigación han desarrollado un nuevo catalizador, utilizando la perovskita doble con cationes ordenados con alta conductividad eléctrica y rendimiento catalítico. Prepararon una serie de PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5 +? (x = 0, 0.5, 1, 1.5 y 2, PBSCF) y determinaron los contenidos óptimos de cobalto (Co) y hierro (Fe) mediante evaluación electroquímica.

"La estructura de la nanofibra mesoporosa PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5 +? (PBSCF-NF) tiene áreas superficiales altas, como resultado de diámetros de poro uniformes", dice Ohhun Gwon en la revista combinada M.S / Ph.D. de Energía e Ingeniería Química, el primer autor del estudio. "Esta nanofibra también ha traído mejoras significativas en el rendimiento de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) y la reacción de evolución de oxígeno (OER)".

Según el equipo de investigación, esta nanofibra ha mejorado la bifuncionalidad de ORR / OER. Particularmente, el rendimiento de OER fue aproximadamente 9 veces mayor que el del estado del arte de óxido de metal precioso IrO2 con sobrepotencial de 0.3 V. Además, también demostró una notable estabilidad de carga y descarga incluso a altas densidades de corriente en baterías de Zn-air .

"Creemos que el alto rendimiento electroquímico y catalítico de este material jugará un papel importante en la comercialización de baterías de metal y aire", dice el profesor Kim. "La tecnología de la batería de metal-aire todavía está en su infancia y parece que se requieren esfuerzos adicionales de investigación antes de desarrollar una implementación comercial viable".

Y añade: "Sin embargo, como muchas empresas globales, como IBM, Toyota y Samsung Electronics ya están trabajando en el desarrollo de baterías de metal y aire, los desafíos técnicos podrían pronto eliminarse a un ritmo mucho más rápido de lo previsto".

Fuente: Yunfei Bu, Ohhun Gwon, Gyutae Nam, Haeseong Jang, Seona Kim, Qin Zhong, Jaephil Cho, Guntae Kim. A Highly Efficient and Robust Cation Ordered Perovskite Oxide as a Bifunctional Catalyst for Rechargeable Zinc-Air Batteries. ACS Nano, 2017; DOI: 10.1021/acsnano.7b06595