سنتز کاتالیست جدید راهی نو در توسعه باتری های لیتیوم-هوا

سنتز کاتالیست جدید راه را جهت توسعه باتری های لیتیوم-هوای نسل بعدی هموار می کند.

CSOیک کاتالیست حیاتی برای باتری‌های لیتیوم-هوا است، با استفاده از پلاسمای محلول تنها در 20 دقیقه سنتز می شود. این روش سنتز کارآمد برای CSO، فرصت‌های جدیدی را برای باتری‌های لیتیوم-هوای نسل بعدی باز می‌کند و به عملکرد بالای وسایل نقلیه الکتریکی و به دستیابی به کم کردن کربن کمک می‌کند. CoSn(OH)₆ (CSO) یک کاتالیست موثر در 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.

کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی و جایگزینی با منابع انرژی سبز به یک سیاست راهبردی 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 توان انرژی بالا نیاز دارند و باتری‌های لیتیوم یون معمولی این توانایی 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 این امر به یک کاتالیست مناسب جهت تسریع واکنش تکامل اکسیژن (OER) در داخل باتری مورد نیاز است. OER یک واکنش شیمیایی بسیار مهم است که در تجزیه آب برای بهبود عملکرد باتری نقش ایفا دارد. اکسید فلزات نجیب، کمیاب و گران قیمت مانند اکسید روتنیم (RuO₂)  و اکسید ایریدیم (IrO₂) معمولاً به عنوان کاتالیزور برای تسریع OER باتری‌های فلز-هوا استفاده می‌شوند. مواد کاتالیزوری مقرون به صرفه تر شامل اکسیدها و هیدروکسیدهای فلزات واسطه به شکل نوعی پروسکایت هستند. CoSn(OH)₆ (CSO)  یکی از هیدروکسیدهای پروسکایتی است که به عنوان یک کاتالیزور موثر در واکنش 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.

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 و با استفاده از یک مرحله، موفق به تولید CSO شدند. این تیم با استفاده از پراش سنجی اشعه ایکس، نشان داد که CSO کریستالین را می توان با تنظیم pH در مقادیر بالاتر از 10 تا 12 از یک محلول پیش ساز، با اندازه های حدود 100-300 نانومتر سنتز کرد. 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 یک 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 بهتری از نمونه تجاری RuO₂ دارد.

CSO سنتز شده خواص الکتروکاتالیستی برتری را برای OER نشان داد. و امیدهای فراوانی را جهت استفاده از این ساختار پروسکایتی در باتری ها ایجاد نمود. که می تواند به عملکرد بالای وسایل نقلیه الکتریکی کمک کند.. این امر به نوبه خود ما را یک گام دیگر به سوی دستیابی به کربن صفر با فعال کردن یک سیستم انرژی جدید مستقل از سوخت‌های فسیلی نزدیک‌تر می‌کند.