Nowa bateria pochłania dwutlenek węgla i zamienia się w stały minerał

Nowy typ baterii opracowany przez naukowców z MIT może być częściowo wytwarzany z dwutlenku węgla przechwyconego z elektrowni. Zamiast próbować przekształcać dwutlenek węgla w specjalistyczne chemikalia za pomocą katalizatorów metalowych, co jest obecnie dużym wyzwaniem, ta bateria może stale przekształcać dwutlenek węgla w stały węglan mineralny podczas rozładowywania.

Chociaż nadal opiera się na badaniach na wczesnym etapie i jest daleki od wdrożenia komercyjnego, nowa formuła baterii może otworzyć nowe możliwości dostosowywania reakcji elektrochemicznej konwersji dwutlenku węgla, co ostatecznie może przyczynić się do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych do atmosfery.

Bateria wykonana jest z metalu litowego, węgiel, oraz elektrolit, który zaprojektowali naukowcy. Wyniki zostały opisane dzisiaj w czasopiśmie Dżul, w referacie adiunkta inżynierii mechanicznej Betar Gallant, doktorantka Aliza Khurram, i podoktorancki Mingfu He.

Obecnie, elektrownie wyposażone w systemy wychwytywania dwutlenku węgla zużywają na ogół do 30 procent energii elektrycznej, którą generują tylko po to, aby zasilić przechwytywanie, uwolnienie, i magazynowanie dwutlenku węgla. Wszystko, co może obniżyć koszty procesu przechwytywania, lub który może skutkować produktem końcowym, który ma wartość, może znacząco zmienić ekonomię takich systemów, naukowcy mówią.

Jednakże, „dwutlenek węgla nie jest bardzo reaktywny,” Gallant wyjaśnia, więc „ważne są próby znalezienia nowych ścieżek reakcji”. Ogólnie, jedynym sposobem, aby dwutlenek węgla wykazywał znaczną aktywność w warunkach elektrochemicznych, jest zastosowanie dużych nakładów energii w postaci wysokich napięć, co może być kosztownym i nieefektywnym procesem. Idealnie, gaz podlegałby reakcjom, które produkują coś wartościowego, takich jak użyteczna substancja chemiczna lub paliwo. Jednakże, wysiłki w zakresie konwersji elektrochemicznej, zwykle prowadzone w wodzie, pozostają utrudnione przez wysokie nakłady energii i słabą selektywność wytwarzanych chemikaliów.

Gallant i jej współpracownicy, których ekspertyza dotyczy produktów niewodnych (nie na bazie wody) reakcje elektrochemiczne, takie jak te, które leżą u podstaw baterii litowych, zbadano, czy chemię wychwytywania dwutlenku węgla można wykorzystać do wytwarzania elektrolitów obciążonych dwutlenkiem węgla — jednej z trzech zasadniczych części akumulatora — gdzie wychwycony gaz mógłby być następnie wykorzystany podczas rozładowywania akumulatora, aby zapewnić moc wyjściowa.

To podejście różni się od uwalniania dwutlenku węgla z powrotem do fazy gazowej w celu długoterminowego przechowywania, jak jest obecnie stosowany w wychwytywaniu i sekwestracji dwutlenku węgla, lub CCS. To pole ogólnie dotyczy sposobów wychwytywania dwutlenku węgla z elektrowni poprzez proces absorpcji chemicznej, a następnie przechowywania go w formacjach podziemnych lub chemicznego przekształcania go w paliwo lub surowiec chemiczny.

Zamiast, zespół ten opracował nowe podejście, które może być potencjalnie wykorzystane bezpośrednio w strumieniu odpadów elektrowni, aby wytworzyć materiał na jeden z głównych komponentów akumulatora.

Chociaż ostatnio wzrosło zainteresowanie rozwojem akumulatorów litowo-węglowych,, które wykorzystują gaz jako reagent podczas rozładowania, niska reaktywność dwutlenku węgla wymagała zazwyczaj zastosowania katalizatorów metalicznych. Są nie tylko drogie, ale ich funkcja pozostaje słabo poznana, a reakcje są trudne do opanowania.

Poprzez wprowadzenie gazu w stan ciekły, Jednakże, Gallant i jej współpracownicy znaleźli sposób na osiągnięcie elektrochemicznej konwersji dwutlenku węgla przy użyciu wyłącznie elektrody węglowej. Kluczem do sukcesu jest wstępna aktywacja dwutlenku węgla poprzez włączenie go do roztworu aminy.

„Po raz pierwszy pokazaliśmy, że ta technika aktywuje dwutlenek węgla, co ułatwia elektrochemię,” Gallant mówi. „Te dwie substancje chemiczne — wodne aminy i niewodne elektrolity akumulatorowe — zwykle nie są używane razem, odkryliśmy jednak, że ich połączenie nadaje nowe i interesujące zachowania, które mogą zwiększyć napięcie rozładowania i umożliwić trwałą konwersję dwutlenku węgla”.

Poprzez serię eksperymentów wykazali, że to podejście działa, i może wyprodukować akumulator litowo-węglowy o napięciu i pojemności, które są konkurencyjne w stosunku do najnowocześniejszych akumulatorów litowo-gazowych. Ponadto, amina działa jako promotor molekularny, który nie jest zużywany w reakcji.

Kluczem do sukcesu było opracowanie odpowiedniego systemu elektrolitowego, Khurram wyjaśnia. W tym wstępnym badaniu słuszności koncepcji, zdecydowali się na użycie elektrolitu niewodnego, ponieważ ograniczyłby on dostępne ścieżki reakcji, a tym samym ułatwiłby scharakteryzowanie reakcji i określenie jej żywotności. Wybrany przez nich materiał aminowy jest obecnie używany do zastosowań CCS, ale nie był wcześniej stosowany do akumulatorów.

Ten wczesny system nie został jeszcze zoptymalizowany i będzie wymagał dalszego rozwoju, naukowcy mówią. Dla jednej rzeczy, żywotność baterii jest ograniczona do 10 cykle ładowania-rozładowania, więc potrzebne są dalsze badania, aby poprawić ładowalność i zapobiec degradacji elementów ogniwa. „Akumulatory z dwutlenkiem węgla litowo-węglowego są jeszcze lata” jako opłacalny produkt, Szarmancki mówi, ponieważ te badania obejmują tylko jeden z kilku niezbędnych postępów, aby były praktyczne.

Ale koncepcja ma ogromny potencjał, według Gallanta. Wychwytywanie dwutlenku węgla jest powszechnie uważane za niezbędne do osiągnięcia światowych celów redukcji emisji gazów cieplarnianych, ale nie są jeszcze sprawdzone, długoterminowe sposoby utylizacji lub wykorzystania całego powstałego dwutlenku węgla. Podziemna utylizacja geologiczna jest nadal wiodącym rywalem, ale to podejście pozostaje nieco niesprawdzone i może być ograniczone pod względem tego, jak bardzo może pomieścić. Wymaga również dodatkowej energii do wiercenia i pompowania.

Naukowcy badają również możliwość opracowania wersji procesu do pracy ciągłej, który wykorzystałby stały strumień dwutlenku węgla pod ciśnieniem z materiałem aminowym, zamiast wstępnie załadowanego materiału, co pozwala mu dostarczać stałą moc wyjściową, o ile bateria jest zasilana dwutlenkiem węgla. Ostatecznie, mają nadzieję, że przekształcą to w zintegrowany system, który będzie wychwytywał dwutlenek węgla ze strumienia emisji elektrowni, i jego przekształcenie w materiał elektrochemiczny, który można następnie wykorzystać w bateriach. „To jeden ze sposobów na ukrycie go jako użytecznego produktu,” Gallant mówi.

„Ciekawe, że Gallant i współpracownicy sprytnie połączyli wcześniejszą wiedzę z dwóch różnych obszarów, elektrochemia akumulatorów metalowo-gazowych i chemia wychwytywania dwutlenku węgla,, i udało się zwiększyć zarówno gęstość energii baterii, jak i wydajność wychwytywania dwutlenku węgla,” mówi Kisuk Kang, profesor na Uniwersytecie Narodowym w Seulu w Korei Południowej, kto nie był związany z tymi badaniami.

„Chociaż w przyszłości może być potrzebne dokładniejsze zrozumienie powstawania produktu z dwutlenku węgla”, tego rodzaju interdyscyplinarne podejście jest bardzo ekscytujące i często przynosi nieoczekiwane rezultaty, jak autorzy elegancko pokazali tutaj," On dodał.

Wsparcie projektu zapewnił Wydział Mechaniczny MIT.