La nouvelle batterie engloutit le dioxyde de carbone et se transforme en un minéral solide

Un nouveau type de batterie développé par des chercheurs du MIT pourrait être fabriqué en partie à partir de dioxyde de carbone capté dans les centrales électriques. Plutôt que d'essayer de convertir le dioxyde de carbone en produits chimiques spécialisés à l'aide de catalyseurs métalliques, qui est actuellement très difficile, cette batterie pourrait convertir en continu le dioxyde de carbone en un carbonate minéral solide lors de sa décharge.

Bien qu'encore basé sur la recherche à un stade précoce et loin du déploiement commercial, la nouvelle formulation de la batterie pourrait ouvrir de nouvelles voies pour personnaliser les réactions de conversion électrochimique du dioxyde de carbone, ce qui peut finalement aider à réduire l'émission de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

La batterie est en lithium métal, carbone, et un électrolyte que les chercheurs ont conçu. Les résultats sont décrits aujourd'hui dans la revue Joule, dans un article du professeur adjoint de génie mécanique Betar Gallant, doctorante Aliza Khurram, et postdoc Mingfu He.

Actuellement, les centrales électriques équipées de systèmes de captage du carbone consomment généralement jusqu'à 30 pour cent de l'électricité qu'ils génèrent juste pour alimenter la capture, Libération, et le stockage du dioxyde de carbone. Tout ce qui peut réduire le coût de ce processus de capture, ou qui peut aboutir à un produit final qui a de la valeur, pourrait modifier considérablement l'économie de tels systèmes, les chercheurs disent.

toutefois, "le dioxyde de carbone n'est pas très réactif,» Gallant explique, il est donc important d'"essayer de trouver de nouvelles voies de réaction". En général, la seule façon d'amener le dioxyde de carbone à présenter une activité significative dans des conditions électrochimiques consiste à utiliser d'importants apports d'énergie sous la forme de hautes tensions, qui peut être un processus coûteux et inefficace. Idéalement, le gaz subirait des réactions qui produiraient quelque chose de valable, comme un produit chimique utile ou un carburant. toutefois, efforts de conversion électrochimique, généralement effectué dans l'eau, restent entravés par des apports énergétiques élevés et une faible sélectivité des produits chimiques produits.

Gallant et ses collègues, dont l'expertise a à voir avec non aqueux (pas à base d'eau) réactions électrochimiques telles que celles qui sous-tendent les batteries à base de lithium, examiné si la chimie de capture du dioxyde de carbone pouvait être utilisée pour fabriquer des électrolytes chargés de dioxyde de carbone - l'une des trois parties essentielles d'une batterie - où le gaz capturé pourrait ensuite être utilisé pendant la décharge de la batterie pour fournir un puissance de sortie.

Cette approche est différente de la libération du dioxyde de carbone dans la phase gazeuse pour un stockage à long terme, tel qu'il est maintenant utilisé dans la capture et la séquestration du carbone, ou CCS. Ce domaine examine généralement les moyens de capturer le dioxyde de carbone d'une centrale électrique par un processus d'absorption chimique, puis de le stocker dans des formations souterraines ou de le transformer chimiquement en carburant ou en matière première chimique..

Au lieu, cette équipe a développé une nouvelle approche qui pourrait potentiellement être utilisée directement dans le flux de déchets de la centrale électrique pour fabriquer un matériau pour l'un des principaux composants d'une batterie.

Alors que l'intérêt s'est récemment accru pour le développement de batteries lithium-dioxyde de carbone, qui utilisent le gaz comme réactif lors de la décharge, la faible réactivité du dioxyde de carbone a généralement nécessité l'utilisation de catalyseurs métalliques. Non seulement ils sont chers, mais leur fonction reste mal comprise, et les réactions sont difficiles à contrôler.

En incorporant le gaz à l'état liquide, toutefois, Gallant et ses collègues ont trouvé un moyen de réaliser une conversion électrochimique du dioxyde de carbone en utilisant uniquement une électrode de carbone. La clé est de préactiver le dioxyde de carbone en l'incorporant dans une solution d'amine.

"Ce que nous avons montré pour la première fois, c'est que cette technique active le dioxyde de carbone pour une électrochimie plus facile," dit Galant. "Ces deux produits chimiques - amines aqueuses et électrolytes de batterie non aqueux - ne sont normalement pas utilisés ensemble, mais nous avons constaté que leur combinaison confère des comportements nouveaux et intéressants qui peuvent augmenter la tension de décharge et permettre une conversion soutenue du dioxyde de carbone.

Ils ont montré à travers une série d'expériences que cette approche fonctionne, et peut produire une batterie lithium-dioxyde de carbone avec une tension et une capacité qui sont compétitives avec celles des batteries lithium-gaz de pointe. en outre, l'amine agit comme un promoteur moléculaire qui n'est pas consommé dans la réaction.

La clé était de développer le bon système d'électrolyte, Khurram explique. Dans cette première étude de preuve de concept, ils ont décidé d'utiliser un électrolyte non aqueux car cela limiterait les voies de réaction disponibles et donc faciliterait la caractérisation de la réaction et la détermination de sa viabilité. Le matériau amine qu'ils ont choisi est actuellement utilisé pour les applications CCS, mais n'avait pas été appliqué auparavant aux batteries.

Ce premier système n'a pas encore été optimisé et nécessitera d'autres développements, les chercheurs disent. Pour une chose, la durée de vie de la batterie est limitée à 10 cycles de charge-décharge, des recherches supplémentaires sont donc nécessaires pour améliorer la capacité de recharge et prévenir la dégradation des composants de la cellule. "Les batteries au lithium-dioxyde de carbone sont dans des années" en tant que produit viable, Gallant dit, car cette recherche ne couvre qu'une des nombreuses avancées nécessaires pour les rendre pratiques.

Mais le concept offre un grand potentiel, d'après Galant. La capture du carbone est largement considérée comme essentielle pour atteindre les objectifs mondiaux de réduction des émissions de gaz à effet de serre, mais il n'y a pas encore de preuves, manières à long terme d'éliminer ou d'utiliser tout le dioxyde de carbone résultant. Le stockage géologique souterrain reste le principal concurrent, mais cette approche reste quelque peu non prouvée et peut être limitée dans la mesure où elle peut s'adapter. Il nécessite également de l'énergie supplémentaire pour le forage et le pompage.

Les chercheurs étudient également la possibilité de développer une version à fonctionnement continu du procédé, qui utiliserait un flux constant de dioxyde de carbone sous pression avec le matériau amine, plutôt qu'une alimentation préchargée, le matériau, lui permettant ainsi de fournir une puissance de sortie constante tant que la batterie est alimentée en dioxyde de carbone. En fin de compte, ils espèrent en faire un système intégré qui effectuera à la fois la capture du dioxyde de carbone à partir du flux d'émissions d'une centrale électrique, et sa conversion en un matériau électrochimique qui pourrait ensuite être utilisé dans les batteries. "C'est une façon de le séquestrer en tant que produit utile," dit Galant.

"Il était intéressant que Gallant et ses collègues aient intelligemment combiné les connaissances antérieures de deux domaines différents, électrochimie des batteries métal-gaz et chimie du captage du dioxyde de carbone, et a réussi à augmenter à la fois la densité d'énergie de la batterie et l'efficacité de la capture du dioxyde de carbone,"Dit Kisuk Kang, professeur à l'Université nationale de Séoul en Corée du Sud, qui n'a pas été associé à cette recherche.

"Même si une compréhension plus précise de la formation de produits à partir de dioxyde de carbone peut être nécessaire à l'avenir, ce type d'approche interdisciplinaire est très excitant et offre souvent des résultats inattendus, comme les auteurs l'ont élégamment démontré ici,"Il ajoute.

Le département de génie mécanique du MIT a apporté son soutien au projet.