La nuova batteria divora anidride carbonica e si converte in un minerale solido

Un nuovo tipo di batteria sviluppato dai ricercatori del MIT potrebbe essere realizzato in parte dall'anidride carbonica catturata dalle centrali elettriche. Piuttosto che tentare di convertire l'anidride carbonica in sostanze chimiche specializzate utilizzando catalizzatori metallici, che è attualmente molto impegnativo, questa batteria potrebbe convertire continuamente l'anidride carbonica in un carbonato minerale solido mentre si scarica.

Sebbene sia ancora basato sulla ricerca in fase iniziale e lontano dallo sviluppo commerciale, la nuova formulazione della batteria potrebbe aprire nuove strade per personalizzare le reazioni di conversione dell'anidride carbonica elettrochimica, che alla fine può aiutare a ridurre l'emissione di gas serra nell'atmosfera.

La batteria è realizzata in metallo al litio, carbonio, e un elettrolita progettato dai ricercatori. I risultati sono descritti oggi nella rivista Joule, in un articolo del professore assistente di ingegneria meccanica Betar Gallant, la studentessa di dottorato Aliza Khurram, e post-dottorato Mingfu He.

Attualmente, le centrali elettriche dotate di sistemi di cattura del carbonio utilizzano generalmente fino a 30 percentuale dell'elettricità che generano solo per alimentare la cattura, pubblicazione, e stoccaggio di anidride carbonica. Tutto ciò che può ridurre il costo di quel processo di acquisizione, o che possono portare a un prodotto finale che ha valore, potrebbe cambiare significativamente l'economia di tali sistemi, dicono i ricercatori.

tuttavia, “L'anidride carbonica non è molto reattiva,” spiega Gallant, quindi "cercare di trovare nuovi percorsi di reazione è importante". In genere, l'unico modo per far sì che l'anidride carbonica mostri un'attività significativa in condizioni elettrochimiche è con grandi input di energia sotto forma di alte tensioni, che può essere un processo costoso e inefficiente. Idealmente, il gas subirebbe reazioni che producono qualcosa di utile, come una sostanza chimica utile o un carburante. tuttavia, tentativi di conversione elettrochimica, generalmente condotto in acqua, rimangono ostacolati da elevati apporti energetici e dalla scarsa selettività delle sostanze chimiche prodotte.

Gallant e i suoi colleghi, la cui esperienza ha a che fare con non acquoso (non a base d'acqua) reazioni elettrochimiche come quelle che stanno alla base delle batterie al litio, ha esaminato se la chimica di cattura dell'anidride carbonica potesse essere utilizzata per produrre elettroliti carichi di anidride carbonica - una delle tre parti essenziali di una batteria - dove il gas catturato potesse poi essere utilizzato durante la scarica della batteria per fornire un uscita di potenza.

Questo approccio è diverso dal rilascio dell'anidride carbonica nella fase gassosa per l'immagazzinamento a lungo termine, come è ora utilizzato nella cattura e nel sequestro del carbonio, o CCS. Quel campo generalmente esamina i modi per catturare l'anidride carbonica da una centrale elettrica attraverso un processo di assorbimento chimico e quindi immagazzinarla in formazioni sotterranee o alterarla chimicamente in un combustibile o una materia prima chimica.

Anziché, questo team ha sviluppato un nuovo approccio che potrebbe essere potenzialmente utilizzato proprio nel flusso di rifiuti della centrale elettrica per produrre materiale per uno dei componenti principali di una batteria.

Sebbene di recente sia cresciuto l'interesse per lo sviluppo di batterie al litio-anidride carbonica, che utilizzano il gas come reagente durante la scarica, la bassa reattività dell'anidride carbonica ha richiesto tipicamente l'uso di catalizzatori metallici. Non solo questi sono costosi, ma la loro funzione rimane poco conosciuta, e le reazioni sono difficili da controllare.

Incorporando il gas allo stato liquido, tuttavia, Gallant e i suoi colleghi hanno trovato un modo per ottenere la conversione elettrochimica dell'anidride carbonica utilizzando solo un elettrodo di carbonio. La chiave è preattivare l'anidride carbonica incorporandola in una soluzione di ammina.

“Quello che abbiamo mostrato per la prima volta è che questa tecnica attiva l'anidride carbonica per un'elettrochimica più facile,” dice Gallant. "Queste due sostanze chimiche - ammine acquose ed elettroliti non acquosi della batteria - non vengono normalmente utilizzate insieme, ma abbiamo scoperto che la loro combinazione impartisce comportamenti nuovi e interessanti che possono aumentare la tensione di scarica e consentire una conversione prolungata dell'anidride carbonica".

Hanno dimostrato attraverso una serie di esperimenti che questo approccio funziona, ed è in grado di produrre una batteria al litio-anidride carbonica con voltaggio e capacità competitivi con quelli delle moderne batterie al litio-gas. inoltre, l'ammina agisce come un promotore molecolare che non viene consumato nella reazione.

La chiave era sviluppare il giusto sistema di elettroliti, spiega Khurram. In questo primo studio di proof-of-concept, hanno deciso di utilizzare un elettrolita non acquoso perché limiterebbe le vie di reazione disponibili e quindi renderebbe più facile caratterizzare la reazione e determinarne la vitalità. Il materiale amminico che hanno scelto è attualmente utilizzato per applicazioni CCS, ma non era stato precedentemente applicato alle batterie.

Questo primo sistema non è stato ancora ottimizzato e richiederà un ulteriore sviluppo, dicono i ricercatori. Per una cosa, la durata del ciclo della batteria è limitata a 10 cicli di carica-scarica, quindi sono necessarie ulteriori ricerche per migliorare la ricaricabilità e prevenire il degrado dei componenti cellulari. "Le batterie al litio-anidride carbonica sono lontane anni" come prodotto valido, dice galante, poiché questa ricerca copre solo uno dei numerosi progressi necessari per renderli pratici.

Ma il concetto offre un grande potenziale, secondo Gallant. La cattura del carbonio è ampiamente considerata essenziale per raggiungere gli obiettivi mondiali di riduzione delle emissioni di gas serra, ma non ci sono ancora provati, metodi a lungo termine per smaltire o utilizzare tutta l'anidride carbonica risultante. Lo smaltimento geologico sotterraneo è ancora il principale contendente, ma questo approccio rimane in qualche modo non provato e può essere limitato in quanto può ospitare. Richiede anche energia extra per la perforazione e il pompaggio.

I ricercatori stanno anche studiando la possibilità di sviluppare una versione a funzionamento continuo del processo, che utilizzerebbe un flusso costante di anidride carbonica sotto pressione con il materiale amminico, piuttosto che un precaricato fornire il materiale, consentendo così di fornire una potenza costante finché la batteria è alimentata con anidride carbonica. In definitiva, sperano di trasformarlo in un sistema integrato che esegua sia la cattura di anidride carbonica dal flusso di emissioni di una centrale elettrica, e la sua conversione in un materiale elettrochimico che potrebbe poi essere utilizzato nelle batterie. “È un modo per isolarlo come un prodotto utile,” dice Gallant.

“È stato interessante che Gallant e colleghi abbiano combinato abilmente le conoscenze pregresse provenienti da due aree diverse, elettrochimica delle batterie a gas metallo e chimica della cattura dell'anidride carbonica, ed è riuscito ad aumentare sia la densità di energia della batteria che l'efficienza della cattura dell'anidride carbonica," dice Kisuk Kang, professore alla Seoul National University in Corea del Sud, che non è stato associato a questa ricerca.

“Anche se in futuro potrebbe essere necessaria una comprensione più precisa della formazione del prodotto dall'anidride carbonica, questo tipo di approccio interdisciplinare è molto eccitante e spesso offre risultati inaspettati, come hanno qui elegantemente dimostrato gli autori," Ha aggiunto.

Il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT ha fornito supporto per il progetto.