Nova bateria absorve dióxido de carbono e se converte em um mineral sólido

Um novo tipo de bateria desenvolvido por pesquisadores do MIT pode ser feito em parte de dióxido de carbono capturado de usinas de energia. Em vez de tentar converter dióxido de carbono em produtos químicos especializados usando catalisadores metálicos, que atualmente é altamente desafiador, esta bateria pode converter continuamente o dióxido de carbono em um carbonato mineral sólido à medida que descarrega.

Embora ainda baseado em pesquisa em estágio inicial e longe da implantação comercial, a nova formulação da bateria pode abrir novos caminhos para a adaptação de reações eletroquímicas de conversão de dióxido de carbono, o que pode, em última análise, ajudar a reduzir a emissão do gás de efeito estufa para a atmosfera.

A bateria é feita de lítio metálico, carbono, e um eletrólito que os pesquisadores projetaram. As descobertas são descritas hoje na revista Joule, em um artigo do professor assistente de engenharia mecânica Betar Gallant, estudante de doutorado Aliza Khurram, e pós-doutorado Mingfu He.

atualmente, usinas equipadas com sistemas de captura de carbono geralmente usam até 30 por cento da eletricidade que geram apenas para alimentar a captação, liberação, e armazenamento de dióxido de carbono. Qualquer coisa que possa reduzir o custo desse processo de captura, ou que pode resultar em um produto final que tenha valor, poderia mudar significativamente a economia de tais sistemas, dizem os pesquisadores.

Contudo, “o dióxido de carbono não é muito reativo,” Gallant explica, então “tentar encontrar novos caminhos de reação é importante”. Geralmente, a única maneira de fazer com que o dióxido de carbono exiba atividade significativa sob condições eletroquímicas é com grandes entradas de energia na forma de altas voltagens, que pode ser um processo caro e ineficiente. Idealmente, o gás passaria por reações que produziriam algo que valesse a pena, como um produto químico útil ou um combustível. Contudo, esforços na conversão eletroquímica, geralmente conduzido em água, permanecem prejudicados por altas entradas de energia e baixa seletividade dos produtos químicos produzidos.

Gallant e seus colegas de trabalho, cuja especialidade tem a ver com não-aquosos (não à base de água) reações eletroquímicas, como aquelas subjacentes às baterias à base de lítio, analisou se a química de captura de dióxido de carbono poderia ser usada para fazer eletrólitos carregados com dióxido de carbono - uma das três partes essenciais de uma bateria - onde o gás capturado poderia ser usado durante a descarga da bateria para fornecer um Potência da saída.

Essa abordagem é diferente de liberar o dióxido de carbono de volta à fase gasosa para armazenamento de longo prazo, como agora é usado na captura e sequestro de carbono, ou CCS. Esse campo geralmente procura maneiras de capturar dióxido de carbono de uma usina de energia por meio de um processo de absorção química e, em seguida, armazená-lo em formações subterrâneas ou alterá-lo quimicamente em combustível ou matéria-prima química..

Em vez de, esta equipe desenvolveu uma nova abordagem que poderia ser usada diretamente no fluxo de resíduos da usina para produzir material para um dos principais componentes de uma bateria.

Embora o interesse tenha crescido recentemente no desenvolvimento de baterias de lítio-dióxido de carbono, que usam o gás como reagente durante a descarga, a baixa reatividade do dióxido de carbono normalmente requer o uso de catalisadores metálicos. Não são apenas caros, mas sua função permanece mal compreendida, e as reações são difíceis de controlar.

Ao incorporar o gás em estado líquido, Contudo, Gallant e seus colegas de trabalho encontraram uma maneira de obter a conversão eletroquímica de dióxido de carbono usando apenas um eletrodo de carbono.. A chave é pré-ativar o dióxido de carbono, incorporando-o a uma solução de amina.

“O que mostramos pela primeira vez é que essa técnica ativa o dióxido de carbono para uma eletroquímica mais fácil,” Galante diz. “Essas duas químicas – aminas aquosas e eletrólitos não aquosos de bateria – normalmente não são usadas juntas, mas descobrimos que a combinação deles confere comportamentos novos e interessantes que podem aumentar a voltagem de descarga e permitir a conversão sustentada de dióxido de carbono”.

Eles mostraram por meio de uma série de experimentos que essa abordagem funciona, e pode produzir uma bateria de dióxido de carbono e lítio com tensão e capacidade competitivas com as baterias de gás de lítio de última geração. Além disso, a amina atua como um promotor molecular que não é consumido na reação.

A chave estava desenvolvendo o sistema de eletrólito certo, Khurram explica. Neste estudo inicial de prova de conceito, eles decidiram usar um eletrólito não aquoso porque limitaria as vias de reação disponíveis e, portanto, tornaria mais fácil caracterizar a reação e determinar sua viabilidade. O material de amina que eles escolheram é usado atualmente para aplicações CCS, mas não havia sido aplicado anteriormente a baterias.

Este sistema inicial ainda não foi otimizado e exigirá mais desenvolvimento, dizem os pesquisadores. Por uma coisa, a vida útil da bateria é limitada a 10 ciclos de carga-descarga, portanto, mais pesquisas são necessárias para melhorar a capacidade de recarga e prevenir a degradação dos componentes celulares. “Baterias de dióxido de carbono-lítio estão a anos de distância” como um produto viável, Gallant diz, já que esta pesquisa cobre apenas um dos vários avanços necessários para torná-los práticos.

Mas o conceito oferece um grande potencial, de acordo com Gallant. A captura de carbono é amplamente considerada essencial para atingir as metas mundiais de redução das emissões de gases de efeito estufa, mas ainda não foram comprovados, maneiras de longo prazo de descartar ou usar todo o dióxido de carbono resultante. O descarte geológico subterrâneo ainda é o principal concorrente, mas essa abordagem ainda não foi comprovada e pode ser limitada em quanto pode acomodar. Também requer energia extra para perfuração e bombeamento.

Os pesquisadores também estão investigando a possibilidade de desenvolver uma versão de operação contínua do processo, que usaria um fluxo constante de dióxido de carbono sob pressão com o material de amina, em vez de um pré-carregado, forneça o material, permitindo assim que forneça uma saída de energia constante, desde que a bateria seja fornecida com dióxido de carbono. em última análise, eles esperam transformar isso em um sistema integrado que realizará a captura de dióxido de carbono do fluxo de emissões de uma usina de energia, e sua conversão em um material eletroquímico que poderia então ser usado em baterias. “É uma maneira de sequestrá-lo como um produto útil,” Galante diz.

“Foi interessante que Gallant e colegas de trabalho combinaram de forma inteligente o conhecimento prévio de duas áreas diferentes, eletroquímica de bateria metal-gás e química de captura de dióxido de carbono, e conseguiu aumentar a densidade de energia da bateria e a eficiência da captura de dióxido de carbono,” diz Kisuk Kang, um professor da Universidade Nacional de Seul na Coreia do Sul, que não estava associado a esta pesquisa.

“Embora uma compreensão mais precisa da formação do produto a partir do dióxido de carbono possa ser necessária no futuro, esse tipo de abordagem interdisciplinar é muito empolgante e muitas vezes oferece resultados inesperados, como os autores elegantemente demonstraram aqui," Ele adicionou.

O Departamento de Engenharia Mecânica do MIT forneceu suporte para o projeto.