Nyt batteri tapper kuldioxid op

En ny type batteri udviklet af forskere ved MIT kunne delvis fremstilles af kuldioxid fanget fra kraftværker. I stedet for at forsøge at omdanne kuldioxid til specialiserede kemikalier ved hjælp af metalkatalysatorer, som i øjeblikket er meget udfordrende, dette batteri kan løbende omdanne kuldioxid til et fast mineralsk carbonat, når det aflades.

Selvom det stadig er baseret på forskning på et tidligt stadie og langt fra kommerciel implementering, den nye batteriformulering kunne åbne nye muligheder for skræddersyning af elektrokemiske kuldioxidomdannelsesreaktioner, som i sidste ende kan bidrage til at reducere udledningen af ​​drivhusgassen til atmosfæren.

Batteriet er lavet af lithiummetal, kulstof, og en elektrolyt, som forskerne designede. Resultaterne er beskrevet i dag i journalen Joule , i et papir af adjunkt i maskinteknik Betar Gallant, doktorand Aliza Khurram, og postdoc Mingfu He.

I øjeblikket, kraftværker udstyret med kulstofopsamlingssystemer bruger generelt op til 30 procent af den elektricitet, de genererer bare for at drive fangsten, frigøre, og opbevaring af kuldioxid. Alt, der kan reducere omkostningerne ved denne optagelsesproces, eller som kan resultere i et slutprodukt, der har værdi, kunne ændre økonomien i sådanne systemer betydeligt, siger forskerne.

Imidlertid, "kuldioxid er ikke særlig reaktiv, "Forklarer Gallant, så "det er vigtigt at prøve at finde nye reaktionsveje." Generelt, den eneste måde at få kuldioxid til at udvise betydelig aktivitet under elektrokemiske forhold er med store energiindgange i form af høje spændinger, hvilket kan være en dyr og ineffektiv proces. Ideelt set, gassen ville undergå reaktioner, der producerer noget værd, såsom et nyttigt kemikalie eller et brændstof. Imidlertid, bestræbelser på elektrokemisk konvertering, udføres normalt i vand, forblive hindret af høje energitilførsler og dårlig selektivitet af de producerede kemikalier.

Gallant og hendes kolleger, hvis ekspertise har at gøre med ikke-vandige (ikke vandbaserede) elektrokemiske reaktioner, såsom dem, der ligger til grund for lithium-baserede batterier, undersøgte, om kuldioxid-fangstkemi kunne bruges til at fremstille kuldioxid-ladede elektrolytter-en af ​​de tre væsentlige dele af et batteri-hvor den opsamlede gas derefter kunne bruges under afladning af batteriet til at give en effekt.

Denne tilgang er forskellig fra at frigive kuldioxid tilbage til gasfasen til langtidsopbevaring, som det nu bruges til kulstofopsamling og -sekvestrering, eller CCS. Dette felt ser generelt på måder at fange kuldioxid fra et kraftværk gennem en kemisk absorptionsproces og derefter enten lagre det i underjordiske formationer eller kemisk ændre det til et brændstof eller et kemisk råstof.

I stedet, dette team udviklede en ny tilgang, der potentielt kunne bruges lige i kraftværksaffaldsstrømmen til at lave materiale til en af ​​hovedkomponenterne i et batteri.

Mens interessen for nylig er vokset for udviklingen af ​​lithium-kuldioxid-batterier, som bruger gassen som reaktant under udledning, den lave reaktivitet af carbondioxid har typisk krævet anvendelse af metalkatalysatorer. Disse er ikke kun dyre, men deres funktion er stadig dårligt forstået, og reaktioner er svære at kontrollere.

Ved at inkorporere gassen i flydende tilstand, imidlertid, Gallant og hendes kolleger fandt en måde at opnå elektrokemisk kuldioxidomdannelse ved kun at bruge en kulelektrode. Nøglen er at foraktivere kuldioxidet ved at inkorporere det i en aminopløsning.

"Det, vi har vist for første gang, er, at denne teknik aktiverer kuldioxid for lettere elektrokemi, "Siger Gallant." Disse to kemier - vandige aminer og ikke -vandige batterielektrolytter - bruges normalt ikke sammen, men vi fandt ud af, at deres kombination giver ny og interessant adfærd, der kan øge afladningsspændingen og muliggøre vedvarende omdannelse af kuldioxid. "

De viste gennem en række eksperimenter, at denne tilgang virker, og kan producere et lithium-carbondioxidbatteri med spænding og kapacitet, der er konkurrencedygtige med det for state-of-the-art lithium-gas batterier. I øvrigt, aminen fungerer som en molekylær promotor, der ikke forbruges i reaktionen.

Nøglen var at udvikle det rigtige elektrolytsystem, Khurram forklarer. I denne indledende proof-of-concept undersøgelse, de besluttede at bruge en ikke -vandig elektrolyt, fordi det ville begrænse de tilgængelige reaktionsveje og derfor gøre det lettere at karakterisere reaktionen og bestemme dens levedygtighed. Aminmaterialet, de valgte, bruges i øjeblikket til CCS -applikationer, men var ikke tidligere blevet påført batterier.

Dette tidlige system er endnu ikke optimeret og vil kræve yderligere udvikling, siger forskerne. For én ting, batteriets levetid er begrænset til 10 opladnings-afladningscyklusser, så mere forskning er nødvendig for at forbedre genopladelighed og forhindre nedbrydning af cellens komponenter. "Lithium-carbondioxidbatterier er år væk" som et levedygtigt produkt, Gallant siger, da denne forskning kun dækker et af flere nødvendige fremskridt for at gøre dem praktiske.

Men konceptet byder på et stort potentiale, ifølge Gallant. Kulstofopsamling anses bredt for at være afgørende for at opfylde verdensomspændende mål for reduktion af drivhusgasemissioner, men der er endnu ikke bevist, langsigtede måder at bortskaffe eller bruge alt det resulterende kuldioxid. Underjordisk geologisk bortskaffelse er stadig den førende konkurrent, men denne fremgangsmåde er stadig noget ubevist og kan være begrænset i, hvor meget den kan rumme. Det kræver også ekstra energi til boring og pumpning.

Forskerne undersøger også muligheden for at udvikle en kontinuerlig version af processen, som ville bruge en stabil strøm af kuldioxid under tryk med aminmaterialet, i stedet for en forudindlæst levering af materialet, således at den kan levere en stabil effekt, så længe batteriet forsynes med kuldioxid. Ultimativt, de håber at gøre dette til et integreret system, der vil udføre både opsamling af kuldioxid fra et kraftværks emissionsstrøm, og dens omdannelse til et elektrokemisk materiale, der derefter kunne bruges i batterier. "Det er en måde at afsætte det på som et nyttigt produkt, "Siger Gallant.