Nieuwe batterij slokt koolstofdioxide op en wordt omgezet in een vast mineraal

Een nieuw type batterij, ontwikkeld door onderzoekers van MIT, zou gedeeltelijk kunnen worden gemaakt van kooldioxide dat wordt opgevangen door energiecentrales. In plaats van te proberen koolstofdioxide om te zetten in gespecialiseerde chemicaliën met behulp van metaalkatalysatoren, die momenteel zeer uitdagend is, deze batterij kan tijdens het ontladen continu koolstofdioxide omzetten in een vast mineraal carbonaat.

Hoewel nog steeds gebaseerd op onderzoek in een vroeg stadium en verre van commerciële inzet, de nieuwe batterijformulering zou nieuwe wegen kunnen openen voor het afstemmen van elektrochemische kooldioxide-omzettingsreacties, wat uiteindelijk kan helpen de uitstoot van broeikasgassen in de atmosfeer te verminderen.

De batterij is gemaakt van lithiummetaal, onderdeel van de populaire Australische, en een elektrolyt dat de onderzoekers hebben ontworpen. De bevindingen worden vandaag beschreven in het tijdschrift Joule, in een paper van assistent-professor werktuigbouwkunde Betar Gallant, promovendus Aliza Khurram, en postdoc Mingfu He.

Momenteel, energiecentrales die zijn uitgerust met koolstofafvangsystemen gebruiken over het algemeen tot 30 procent van de elektriciteit die ze opwekken, alleen om de vangst van stroom te voorzien, vrijlating, en opslag van koolstofdioxide. Alles wat de kosten van dat opnameproces kan verlagen, of dat kan resulteren in een eindproduct dat waarde heeft, zou de economie van dergelijke systemen aanzienlijk kunnen veranderen, zeggen de onderzoekers.

Echter, “Koolstofdioxide is niet erg reactief,' legt Gallant uit, dus "proberen nieuwe reactieroutes te vinden is belangrijk." Over het algemeen, de enige manier om koolstofdioxide onder elektrochemische omstandigheden significante activiteit te laten vertonen, is met grote energie-inputs in de vorm van hoge spanningen, wat een duur en inefficiënt proces kan zijn. Ideaal, het gas zou reacties ondergaan die iets waardevols opleveren, zoals een nuttige chemische stof of een brandstof. Echter, inspanningen op het gebied van elektrochemische conversie, meestal uitgevoerd in water, blijven gehinderd door hoge energie-input en slechte selectiviteit van de geproduceerde chemicaliën.

Gallant en haar collega's, wiens expertise te maken heeft met niet-waterig (niet op waterbasis) elektrochemische reacties zoals die ten grondslag liggen aan op lithium gebaseerde batterijen, onderzocht of koolstofdioxide-afvangchemie kan worden gebruikt om met koolstofdioxide beladen elektrolyten te maken - een van de drie essentiële onderdelen van een batterij - waar het opgevangen gas vervolgens kan worden gebruikt tijdens het ontladen van de batterij om een vermogen.

Deze aanpak verschilt van het teruggeven van de kooldioxide aan de gasfase voor langdurige opslag, zoals nu wordt gebruikt bij het afvangen en vastleggen van koolstof, of CCS. Dat veld kijkt over het algemeen naar manieren om koolstofdioxide uit een energiecentrale op te vangen door middel van een chemisch absorptieproces en het vervolgens op te slaan in ondergrondse formaties of het chemisch te veranderen in een brandstof of een chemische grondstof..

In plaats daarvan, dit team ontwikkelde een nieuwe aanpak die mogelijk rechtstreeks in de afvalstroom van energiecentrales kan worden gebruikt om materiaal te maken voor een van de hoofdcomponenten van een batterij.

Terwijl de belangstelling voor de ontwikkeling van lithium-koolstofdioxidebatterijen de laatste tijd is toegenomen, die het gas als reactant gebruiken tijdens de ontlading, de lage reactiviteit van kooldioxide heeft typisch het gebruik van metaalkatalysatoren vereist. Deze zijn niet alleen duur, maar hun functie blijft slecht begrepen, en reacties zijn moeilijk te beheersen.

Door het gas in vloeibare toestand op te nemen, echter, Gallant en haar collega's hebben een manier gevonden om elektrochemische kooldioxide-omzetting te bereiken met alleen een koolstofelektrode. De sleutel is om het kooldioxide te preactiveren door het in een amine-oplossing op te nemen.

"Wat we voor het eerst hebben laten zien, is dat deze techniek de koolstofdioxide activeert voor een gemakkelijkere elektrochemie,' zegt Galant. “Deze twee chemieën - waterige amines en niet-waterige batterij-elektrolyten - worden normaal gesproken niet samen gebruikt, maar we ontdekten dat hun combinatie zorgt voor nieuw en interessant gedrag dat de ontladingsspanning kan verhogen en een duurzame omzetting van kooldioxide mogelijk maakt.”

Met een reeks experimenten lieten ze zien dat deze aanpak werkt, en kan een lithium-kooldioxidebatterij produceren met spanning en capaciteit die concurrerend zijn met die van geavanceerde lithium-gasbatterijen. Bovendien, het amine werkt als een moleculaire promotor die niet wordt verbruikt in de reactie.

De sleutel was het ontwikkelen van het juiste elektrolytsysteem, Khurram legt uit. In deze eerste proof-of-concept-studie, ze besloten een niet-waterige elektrolyt te gebruiken omdat dit de beschikbare reactieroutes zou beperken en het daardoor gemakkelijker zou maken om de reactie te karakteriseren en de levensvatbaarheid ervan te bepalen. Het gekozen aminemateriaal wordt momenteel gebruikt voor CCS-toepassingen, maar was nog niet eerder toegepast op batterijen.

Dit vroege systeem is nog niet geoptimaliseerd en zal verdere ontwikkeling vereisen, zeggen de onderzoekers. Voor een ding, de levensduur van de batterij is beperkt tot 10 laad-ontlaadcycli, er is dus meer onderzoek nodig om de oplaadbaarheid te verbeteren en degradatie van de celcomponenten te voorkomen. "Lithium-kooldioxidebatterijen zijn nog jaren weg" als levensvatbaar product, zegt Gallant, aangezien dit onderzoek slechts een van de vele noodzakelijke vorderingen omvat om ze praktisch te maken.

Maar het concept biedt veel potentie, volgens Galant. Koolstofafvang wordt algemeen beschouwd als essentieel voor het behalen van wereldwijde doelstellingen voor het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen, maar die zijn nog niet bewezen, manieren om op lange termijn alle resulterende kooldioxide af te voeren of te gebruiken. Ondergrondse geologische berging is nog steeds de grootste kanshebber, maar deze benadering blijft enigszins onbewezen en kan beperkt zijn in de mate waarin deze kan worden opgevangen. Ook voor het boren en pompen is extra energie nodig.

De onderzoekers onderzoeken ook de mogelijkheid om een ​​continu werkende versie van het proces te ontwikkelen, die een gestage stroom kooldioxide onder druk met het aminemateriaal zou gebruiken, in plaats van een vooraf geladen levering van het materiaal, waardoor het een constant vermogen kan leveren zolang de batterij wordt voorzien van kooldioxide. tenslotte, ze hopen hier een geïntegreerd systeem van te maken dat zowel de afvang van kooldioxide uit de emissiestroom van een energiecentrale zal uitvoeren, en de omzetting ervan in een elektrochemisch materiaal dat vervolgens in batterijen kan worden gebruikt. “Het is een manier om het als een bruikbaar product te beschouwen,' zegt Galant.

“Het was interessant dat Gallant en collega's op een slimme manier de voorkennis uit twee verschillende gebieden combineerden, elektrochemie van metaal-gasbatterijen en chemie van koolstofdioxide-afvang, en slaagde erin zowel de energiedichtheid van de batterij als de efficiëntie van de kooldioxide-afvang te vergroten,' zegt Kisuk Kang, een professor aan de Seoul National University in Zuid-Korea, die niet betrokken was bij dit onderzoek.

“Hoewel een nauwkeuriger begrip van de productvorming uit koolstofdioxide in de toekomst nodig kan zijn, zo'n interdisciplinaire aanpak is heel spannend en levert vaak onverwachte resultaten op, zoals de auteurs hier op elegante wijze hebben gedemonstreerd," Hij voegde toe.

De afdeling Werktuigbouwkunde van MIT heeft het project ondersteund.