Microambientes catalíticos bifuncionais de engenharia para baterias de metal-ar durável e de alta densidade de energia

Desde o armazenamento em escala de grade a vestidos dobráveis, as baterias de metal-ar (mAbs) prometem energia ultra-alta a um custo de rocha. No entanto, seu vôo comercial ficou preso na pista: o cátodo que respira o ar deve catalisar as reações de redução de oxigênio (ORR) e evolução (OER), mas quase todos os materiais conhecidos se destacam em apenas um, sucumbindo à rápida degradação no microvambonvenção severamente redox. Agora, uma equipe internacional liderada pelo Prof. Jean Marie Vianney Nsanzimana (Universidade de Padova), Prof. Bao Yu Xia (Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong e Sungkyunkwan College), e o Prof. Thandavarayan Maiyalagan (SRM Institute of Science and Know-how) preencheu um 360 ° RoadMaRMANTMATING. Desbloqueie mAbs duráveis ​​e de alta energia nas químicas de lítio, zinco e ar-ar.

Por que esta revisão é importante

• Blueprint de ponta a ponta: Pela primeira vez, uma estrutura unificada hyperlinks nano-/micro-ambiente, síntese escalável e validação de células cheias.
• Regras de design common: Revela como a coordenação atômica, a engenharia de vagas e a tensão interfacial ditam atividade e estabilidade bifuncionais.
• Escalável e abundante da Terra: Concentra-se nos sistemas de metallic de transição, carbono e entropia de baixo custo, prontos para escala industrial.

Dentro da revolução do microambiente

1. Ligas de átomo único a alta entropia

Catalisadores de átomos únicos (SACs)

• Fe – n₄ & Co -N₄ porções Ancorada em carbono dopado com nitrogênio, entrega potenciais de meia onda de ORR acima de 0,85 V vs. RHE e OER superpotenciais abaixo de 370 mV a ten mA cm^-2.
• Fe/i-N-C de átomo duplo hastes atingem uma densidade de potência de 197,9 MW CM^-2 Em zabs quase sólidos, operando de -40 ° C a 60 ° C por mais de 280 h-triando a vida útil de Pt/C-IRO₂.
• Triple-ATOM Fe-CO-NI-N₆ Os websites modulam o centro da banda D, empurrando ΔE bifuncional (e_oer@10-e_orr_1/2) a 0,61 V, um registro entre sistemas não preciosos.

Óxidos de espinélio e perovskita

• MNCO₂O₄/Mn₂O₃ Heteroestruturas de nanorod Crescido by way of síntese hidrotérmica de uma etapa cortou a lacuna ORR/OER para 1,16 V em células completas, superando Pt/c // Iro₂ em densidades de alta corrente.
• Lacoo dopado de Mo.₃ (CO: MO = 95: 5) Introduz Co -Tuned Co³⁺/Co⁴⁺ casais redox e vagas de oxigênio, produzindo 136 MW CM^-2 potência de pico e 120 h de ciclismo contínuo a ten mA cm^-2.
• Ruddlesden – Popper CEO₂–Prsrnicoo₃ nanofibras formar uma rede porosa hierárquica que triplica o comprimento do limite da fase tripla; Os Zabs montados entregam 161 MW CM^-2 e sobrevive 219 h com <5 % desaparece.

Ligas de alta entropia (HEAs)

• UM Quatorze elementos HEA@óxido composto (Ptpdauagcuirru HEA Nanoclusters em AlnicofeCrmoti)₃O₄ Espinel) atinge ΔE = 0,61 V-mais baixo do que qualquer sistema abundante da Terra relatado.
• Ferritas de espinélio de alto entropia da Terra (Mgcocunizn) Fe₂O₄ Mantenha o campo de cristal dos análogos nobres metallic, ao mesmo tempo em que reduz o custo do materials bruto em> 90 %.
• A triagem DFT guiada por aprendizado de máquina de 729 websites de dual-metal prevê Rucon₆Ruirn₆Osrhn₆e Oscon₆ como campeões de próxima geração, validando a filosofia de design de microambientais.

2. Hybrids derivados de carbono e MOF

Carbonos dopados com heteroátomo

• B, N Carbono poroso duplo (BNPC-1100) Derivado da pirólise Zn-MOF exibe início ORR a 0,95 V e Oer η = 0,34 V, alimentar zabs de moeda por 100 h a 1,12 V platô de descarga.
• N, nanoesferas ocas codificadas por P. modificado por CSCL mostra um potencial de meia onda de 0,85 V e 0,34 V oer superpotencial, rivalizando com Pt/C e IRO₂ em células aquosas e de estado sólido.
• SE, N, B TRI-DOPED BIOMASS CARBON (Sec900) de copos de papel reciclado entrega 1618 mah g^-1 em laboratórios com uma tensão de circuito aberto de 3,14 V.

Compósitos derivados de MOF

• Co₃Fe₇ liga ancorada em carbono dopado com N (CO₃Fe₇–N-C-OAC) herda a hierarquia de poros ZIF-8, dobrando o₂ fluxo e atingindo 587 MW CM^-2 em Zabs de estado sólido-o melhor entre sistemas não preciosos.
• Síntese de confinamento de CO@n – cnss De co-fortalocianina@Zn-mofs rendem 2 a 3 nm de nanopartículas de CO que sobrevivem a 150 h a ten mA cm^-2 com 775 mah g^-1 capacidade específica.
• Pirólise de um pote de FEPC@HCONC gera Fe -N disperso atomicamente₄ e co -n₄ Websites, alcançando 758 Mah G^-1 e 193 MW CM^-2 em zabs aquosos.

3. Operando Insights e design orientado a IA

• Espectroscopia de absorção de raios-X in situ rastreia o co reversível²⁺/Co³⁺ Redox Shuttle em espinéis durante o ORR/OER, correlacionando a participação da treliça-oxigênio com a atividade.
• DFT + aprendizado de máquina Identifica os descritores eletrônicos (por exemplo, ocupação, carga Bader, energia de formação de vaga de oxigênio) que prevê ΔE com r² > 0,91 em mais de 700 composições.
• Modelagem em várias escalas Casais Micro-beija com transporte contínuo, mostrando que os poros hierárquicos (> 100 nm) reduzem a concentração superpotencial em 40 % a 20 mA cm^-2.

Em direção a mAbs prontos para o mercado

• Energia vestível: Zabs quase sólidos com cátodos Fe-N-C mantêm 85 % de capacidade após 1.000 ciclos de flexão a um raio de 5 mm-ideal para textiles e e sensores epidérmicos.
• Grades de clima frio: Laboratórios flexíveis usando cátodos de carbono dopados com SE entregam 1.618 Mah G^-1 A -40 ° C, abrindo caminho para estações de pesquisa polar e micro-satélites.
• Armazenamento de contêiner: Um módulo de 1 kWh Zn -Air com MNCO₂O₄/Mn₂O₃ Os catodes ciclos 2.300 vezes com <10 % de energia desaparecem-competitivos com os sistemas LFP a um terço do custo.

Próximas etapas para a implantação do Gigawatt

• Síntese roll-to-roll: Adapte o aquecimento ALD e Flash-Joule para saco em escala de metre e folhas de HEA sem metais nobres.
• QA/QC guiado pela AI: Espectroscopia de impedância incorporada e sondas Raman em linhas de revestimento para detecção de defeitos em tempo actual.
• Pilot MWH Stacks: Comissão 100 manifestantes de KWh integrando eletrólitos de hidrogel retardadoras de fogo e eletrodos de ar impressos em 3D até 2027.

Fique atento à medida que essas regras de design de micro-ambiente migram de células de moedas para armazenamento de contêiner e pacotes qualificados para o espaço-tornando os mAbs o verdadeiro em todos os lugares, bateria de todo o clima.