بطارية جديدة تلتهم ثاني أكسيد الكربون ويتحول لالمعدنية الصلبة

ويمكن تقديم نوع جديد من البطاريات طوره باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جزئيا من ثاني أكسيد الكربون تم الاستيلاء عليها من محطات توليد الطاقة. بدلا من محاولة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية متخصصة باستخدام المحفزات المعدنية, وهو حاليا تحديا للغاية, هذه البطارية يمكن تحويل غاز ثاني أكسيد الكربون بشكل مستمر إلى كربونات المعدنية الصلبة لدى اضطلاعها.

في حين لا يزال على أساس البحث في مرحلة مبكرة وبعيدة كل البعد عن نشر التجاري, وضع بطارية جديدة يمكن أن تفتح آفاقا جديدة لتفصيل الكربون الكهروكيميائية ردود الفعل تحويل ثاني أكسيد, مما قد يساعد في نهاية المطاف خفض انبعاث غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي.

وتتكون البطارية من معدن الليثيوم, كربون, وبالكهرباء التي صمم الباحثون. ووصف النتائج اليوم في مجلة جول وحدة طاقة, في ورقة قدمها أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية بيتار الشهم, طالب الدكتوراه أليزا خرام, ومرحلة ما بعد الدكتوراه Mingfu و.

حاليا, محطات توليد الطاقة مجهزة بأنظمة التقاط الكربون عموما استخدام ما يصل إلى 30 في المئة من الكهرباء التي تولد فقط لتشغيل التقاط, إطلاق سراح, وتخزين ثاني أكسيد الكربون. أي شيء يمكن أن تقلل من تكاليف هذه العملية القبض على, أو يمكن أن يؤدي إلى المنتج النهائي الذي له قيمة, يمكن إحداث تغيير كبير في اقتصاديات هذه النظم, ويقول الباحثون.

ومع ذلك, "ثاني أكسيد الكربون ليس رد الفعل جدا,"ويوضح الشهم, لذلك "محاولة للعثور على مسارات رد فعل الجديدة هو المهم." عموما, الطريقة الوحيدة للحصول على ثاني أكسيد الكربون لعرض نشاط كبير في ظل ظروف الكهروكيميائية هي مع مدخلات الطاقة كبيرة في شكل الفولتية العالية, التي يمكن أن تكون عملية مكلفة وغير فعالة. ومن الناحية المثالية, ان الغاز الخضوع لردود الفعل التي تنتج شيئا مجديا, مثل مادة كيميائية مفيدة أو وقود. ومع ذلك, الجهود الرامية إلى تحويل الكهروكيميائية, أجريت عادة في المياه, لا تزال تعيق مدخلات الطاقة المرتفعة وضعف الانتقائية من المواد الكيميائية المنتجة.

الباسلة وزملائها في العمل, التي تتمتع بخبرة له علاقة امائي (لا تعتمد على الماء) ردود فعل الكهروكيميائية مثل تلك التي تكمن وراء القائم على بطاريات الليثيوم, نظرت في ما إذا كانت الكيمياء ثاني أكسيد الكربون التقاط يمكن وضع لاستخدامها لجعل الكربون محملة ثاني أكسيد الشوارد - واحدة من الأجزاء الأساسية الثلاثة للبطارية - حيث يمكن بعد ذلك استخدام الغاز استولي عليه خلال التفريغ للبطارية لتوفير مخرج قوي.

هذا النهج يختلف عن الإفراج عن ثاني أكسيد الكربون إلى مرحلة الغاز للتخزين طويل الأجل, كما يستخدم الآن في احتجاز وتخزين الكربون, أو CCS. يبدو هذا المجال عموما في طرق استخلاص ثاني أكسيد الكربون من محطة توليد الكهرباء من خلال عملية الامتصاص الكيميائي ومن ثم إما تخزينه في التكوينات الجوفية أو كيميائيا تغيير قبل أن تتحول إلى وقود أو وسيطة الكيميائية.

في حين أن, وضعت هذا الفريق مقاربة جديدة يمكن استخدامها حق في مجرى النفايات محطة للطاقة لانتاج مواد لأحد المكونات الرئيسية للبطارية.

في حين نمت الفائدة مؤخرا في تطوير بطاريات الليثيوم ثاني أكسيد الكربون, التي تستخدم الغاز باعتباره المتفاعلة خلال التفريغ, والتفاعل منخفضة من غاز ثاني أكسيد الكربون قد تطلب عادة استخدام المحفزات المعدنية. ليست فقط هذه مكلفة, ولكن وظيفتها لا تزال غير مفهومة, وردود الفعل يصعب السيطرة.

من خلال دمج الغاز في حالة سائلة, ومع ذلك, وجد الباسلة وزملائها في العمل وسيلة لتحقيق تحويل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائية فقط باستخدام الكهربائي الكربون. والمفتاح هو لpreactivate ثاني أكسيد الكربون عن طريق إدراجه في حل أمين.

"ما اظهرنا للمرة الأولى هو أن هذه التقنية ينشط ثاني أكسيد الكربون عن الكيمياء الكهربائية أكثر سطحي,"يقول الشهم. "هذه كيمياء اثنين - الأمينات المائية والشوارد بطارية لامائي - لا تستخدم عادة معا, ولكن وجدنا أن الجمع بينهما يضفي سلوكيات جديدة ومثيرة للاهتمام التي يمكن أن تزيد من الجهد التفريغ والسماح لتحويل متواصلة من ثاني أكسيد الكربون ".

أظهروا من خلال سلسلة من التجارب أن هذا النهج لا عمل, ويمكن ان تنتج بطارية ثاني أكسيد الكربون ليثيوم مع الجهد والقدرة التي هي قادرة على المنافسة مع أن من بطاريات الليثيوم الغاز للدولة من بين الفن. علاوة على ذلك, أعمال أمين كمشجع الجزيئية التي لا تستهلك في التفاعل.

مفتاح تم تطوير نظام بالكهرباء الصحيح, يفسر خرام. في هذه الدراسة الأولية إثبات صحة مفهوم, قرروا استخدام بالكهرباء لامائي لأنه سيحد من مسارات رد فعل المتاحة، وبالتالي يجعل من الاسهل لوصف رد فعل وتحديد قدرتها على البقاء. يتم استخدام المواد أمين اختاروا حاليا لتطبيقات CCS, ولكن لم يسبق تطبيقها على البطاريات.

لم يتم حتى الآن تم تحسين هذا النظام في وقت مبكر، وسوف تتطلب المزيد من التطوير, ويقول الباحثون. لأجل شئ واحد, دورة حياة البطارية محدودة ل 10 المسؤول عن التفريغ, لذلك هناك حاجة إلى مزيد من البحوث لتحسين إعادة الملء ومنع تدهور مكونات الخلية. "بطاريات ثاني أكسيد الليثيوم الكربون سنوات بعيدا" كمنتج قابلة للحياة, يقول الشهم, كما يشمل هذا البحث مجرد واحدة من العديد من التطورات اللازمة لجعلها عملية.

ولكن هذا المفهوم يقدم إمكانات كبيرة, وفقا لالشهم. يعتبر احتجاز الكربون على نطاق واسع ضرورية لتحقيق أهداف عالمية لخفض انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري, ولكن هناك لم يثبت حتى الآن, طرق طويلة الأجل للتخلص من أو باستخدام كافة ثاني أكسيد الكربون الناتج. التخلص الجيولوجي تحت الأرض لا يزال أبرز المنافسين, ولكن هذا النهج لا تزال غير مثبتة إلى حد ما ويمكن أن تكون محدودة في مقدار ما يمكن أن تستوعب. كما يتطلب طاقة اضافية الحفر والضخ.

ويدرس الباحثون أيضا إمكانية تطوير النسخة مستمرة في العملية من عملية, التي ستستخدم دفق مستمر من ثاني أكسيد الكربون تحت ضغط مع المواد أمين, وليس مسبقة توريد المواد, الأمر الذي يتيح لها تقديم انتاج الطاقة ثابت طالما يتم تزويد البطارية مع ثاني أكسيد الكربون. في النهاية, انهم يأملون في جعل هذا إلى نظام متكامل التي ستقوم كل من القبض على ثاني أكسيد الكربون من تيار انبعاثات محطة لتوليد الكهرباء في, وتحولها إلى مادة الكهروكيميائية التي يمكن استخدامها بعد ذلك في بطاريات. واضاف "انها طريقة واحدة لعزل أنها منتج مفيد,"يقول الشهم.

"كان من المثير للاهتمام أن غالانت وزملاء العمل جنبا إلى جنب بذكاء معرفة مسبقة من منطقتين مختلفتين, الغاز المعادن الكيمياء الكهربائية البطارية وثاني أكسيد الكربون الكيمياء القبض, ونجحت في زيادة كل من كثافة الطاقة للبطارية وكفاءة التقاط ثاني أكسيد الكربون,"يقول Kisuk كانغ, وهو أستاذ في جامعة سيول الوطنية في كوريا الجنوبية, الذين لم يترافق مع هذا البحث.

"قد تكون هناك حاجة إلى فهم على الرغم من أن أكثر دقة لتشكيل المنتج من ثاني أكسيد الكربون في المستقبل, هذا النوع من نهج متعدد التخصصات هو مثير جدا، وغالبا ما يقدم نتائج غير متوقعة, كما واضعي أثبتت بأناقة هنا,"ويضيف كانغ.

قدمت إدارة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الهندسة الميكانيكية الدعم للمشروع.