Nueva batería engulle dióxido de carbono y se convierte en un mineral sólido

Un nuevo tipo de batería desarrollado por investigadores del MIT podría fabricarse en parte a partir del dióxido de carbono capturado de las centrales eléctricas.. En lugar de intentar convertir el dióxido de carbono en productos químicos especializados utilizando catalizadores metálicos, que actualmente es muy desafiante, esta batería podría convertir continuamente el dióxido de carbono en un carbonato mineral sólido a medida que se descarga.

Si bien todavía se basa en una investigación en etapa inicial y está lejos del despliegue comercial, la nueva formulación de la batería podría abrir nuevas vías para la adaptación de reacciones de conversión de dióxido de carbono electroquímico, que en última instancia puede ayudar a reducir la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera.

La batería está hecho de metal de litio, carbón, y un electrolito que los investigadores diseñaron. Los resultados se describen en la revista Joule, en un artículo de profesor asistente de ingeniería mecánica Betar Gallant, estudiante de doctorado Aliza Khurram, y postdoctorado Mingfu Él.

Actualmente, Las centrales eléctricas equipadas con sistemas de captura de carbono generalmente usan hasta 30 por ciento de la electricidad que generan solo para alimentar la captura, liberar, y almacenamiento de dióxido de carbono. Cualquier cosa que pueda reducir el costo de ese proceso de captura., o que puede resultar en un producto final que tiene valor, podría cambiar significativamente la economía de tales sistemas, los investigadores dicen.

sin embargo, “el dióxido de carbono no es muy reactivo,” explica Gallant, por lo que "es importante tratar de encontrar nuevas vías de reacción". En general, la única forma de hacer que el dióxido de carbono muestre una actividad significativa en condiciones electroquímicas es con grandes aportes de energía en forma de altos voltajes, que puede ser un proceso costoso e ineficiente. Idealmente, el gas sufriría reacciones que producirían algo que valiera la pena, como un producto químico útil o un combustible. sin embargo, esfuerzos en la conversión electroquímica, generalmente se lleva a cabo en agua, se ven obstaculizados por los altos insumos de energía y la escasa selectividad de los productos químicos producidos.

Gallant y sus compañeros de trabajo, cuya experiencia tiene que ver con no acuosos (no a base de agua) reacciones electroquímicas como las que subyacen en las baterías de litio, investigó si la química de captura de dióxido de carbono podría usarse para fabricar electrolitos cargados de dióxido de carbono, una de las tres partes esenciales de una batería, donde el gas capturado podría luego usarse durante la descarga de la batería para proporcionar un Salida de potencia.

Este enfoque es diferente de liberar el dióxido de carbono de nuevo a la fase gaseosa para su almacenamiento a largo plazo., como ahora se usa en la captura y secuestro de carbono, o CCS. Ese campo generalmente busca formas de capturar dióxido de carbono de una planta de energía a través de un proceso de absorción química y luego almacenarlo en formaciones subterráneas o alterarlo químicamente en un combustible o una materia prima química..

En lugar, este equipo desarrolló un nuevo enfoque que potencialmente podría usarse directamente en el flujo de desechos de la planta de energía para fabricar material para uno de los componentes principales de una batería.

Si bien recientemente ha aumentado el interés en el desarrollo de baterías de dióxido de carbono y litio, que utilizan el gas como reactivo durante la descarga, la baja reactividad del dióxido de carbono ha requerido típicamente el uso de catalizadores metálicos. No solo son caros, pero su función sigue siendo poco conocida, y las reacciones son difíciles de controlar.

Al incorporar el gas en estado líquido, sin embargo, Gallant y sus compañeros de trabajo encontraron una manera de lograr la conversión electroquímica de dióxido de carbono utilizando solo un electrodo de carbono.. La clave es preactivar el dióxido de carbono incorporándolo a una solución de amina..

“Lo que hemos demostrado por primera vez es que esta técnica activa el dióxido de carbono para una electroquímica más fácil.,dice galante. “Estas dos químicas, aminas acuosas y electrolitos de batería no acuosos, normalmente no se usan juntas., pero descubrimos que su combinación imparte comportamientos nuevos e interesantes que pueden aumentar el voltaje de descarga y permitir una conversión sostenida de dióxido de carbono”.

Demostraron a través de una serie de experimentos que este enfoque funciona., y puede producir una batería de dióxido de carbono y litio con un voltaje y una capacidad que sean competitivos con los de las baterías de gas de litio de última generación. Además, la amina actúa como un promotor molecular que no se consume en la reacción.

La clave fue desarrollar el sistema de electrolitos adecuado, Khurram explica. En este estudio inicial de prueba de concepto, decidieron utilizar un electrolito no acuoso porque limitaría las vías de reacción disponibles y, por lo tanto, facilitaría la caracterización de la reacción y la determinación de su viabilidad.. El material de amina que eligieron se usa actualmente para aplicaciones CCS, pero no se había aplicado previamente a las baterías.

Este sistema inicial aún no se ha optimizado y requerirá un mayor desarrollo., los investigadores dicen. Por una cosa, el ciclo de vida de la batería está limitado a 10 ciclos de carga y descarga, por lo tanto, se necesita más investigación para mejorar la capacidad de recarga y evitar la degradación de los componentes de la celda.. “Las baterías de dióxido de carbono y litio están a años de distancia” como un producto viable, galante dice, ya que esta investigación cubre solo uno de varios avances necesarios para hacerlos prácticos.

Pero el concepto ofrece un gran potencial, según galante. La captura de carbono se considera esencial para cumplir los objetivos mundiales de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero., pero aún no están probados, formas a largo plazo de eliminar o utilizar todo el dióxido de carbono resultante. La eliminación geológica subterránea sigue siendo el principal competidor, pero este enfoque aún no ha sido probado y puede estar limitado en cuanto a cuánto puede acomodar. También requiere energía adicional para perforar y bombear..

Los investigadores también están investigando la posibilidad de desarrollar una versión de operación continua del proceso., que usaría una corriente constante de dióxido de carbono bajo presión con el material de amina, en lugar de un suministro precargado del material, lo que le permite entregar una salida de energía constante siempre que la batería se suministre con dióxido de carbono. Por último, esperan convertir esto en un sistema integrado que llevará a cabo tanto la captura de dióxido de carbono del flujo de emisiones de una planta de energía, y su conversión en un material electroquímico que luego podría ser utilizado en baterías. “Es una forma de secuestrarlo como un producto útil,dice galante.

“Fue interesante que Gallant y sus compañeros combinaran inteligentemente el conocimiento previo de dos áreas diferentes, electroquímica de baterías de metal-gas y química de captura de dióxido de carbono, y logró aumentar tanto la densidad de energía de la batería como la eficiencia de la captura de dióxido de carbono,” dice Kisuk Kang, profesor de la Universidad Nacional de Seúl en Corea del Sur, que no estuvo asociado con esta investigación.

“Entendimiento Aunque más precisa de la formación de producto de dióxido de carbono puede ser necesaria en el futuro, este tipo de enfoque interdisciplinario es muy emocionante y, a menudo ofrece resultados inesperados, ya que los autores elegantemente demostrado aquí,"Kang añade.

Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT proporciona apoyo para el proyecto.