Energi
Lithium-CO₂ Batteri-Gennembrud Fanger Kulstof Mens Det Driver Enheder
University of Surrey ingeniører har introduceret et Lithium-CO2-batteri, der fjerner kuldioxid fra luften som en del af sin normale drift. Det opgraderede batteridesign har potentiale til at overgå sine forgængere, samtidig med at det hjælper med at bekæmpe forurening og klimaændringer. Her er, hvad du behøver at vide.
Hvorfor Lithium‑Ion‑Batterier Ikke Rækker Til Grøn Energi
Fremtiden er trådløs, og producenter forstår, at der er en efterspørgsel efter rene batteriløsninger. De mest almindelige batterier i dag er lithium‑ion‑varianter. Disse batterier findes i hverdagsenheder som din mobiltelefon, elbil og smartwatch. Lithium‑ion‑batterier tilbyder rimelig energitæthed, opladningscyklusser og er overkommelige. De er dog ikke bæredygtige og forbliver en stor forureningskilde på lossepladser verden over.
Vigtige Udfordringer ved Lithium‑Ion‑Batterier: Sikkerhed, Omkostninger og Affald
Der er flere problemer med lithium‑ion‑batterier, som har begrænset deres effektivitet og ydeevne. For det første kræver de brug af dyre, sjældne jordarter. Ressourcer som platin er svære at skaffe og øger produktionsomkostningerne betydeligt. Derudover er efterspørgslen efter sjældne jordmineraler blevet en sikkerhedsmæssig bekymring for nationer, der nu søger at sikre dybe forsyninger af disse essentielle materialer.
Lithium‑ion‑batterier lider også under dårlig cyklusstabilitet. Designet af dette batteri medfører et tab for hver opladningscyklus. Som sådan reducerer lithium‑ion‑batterier ydeevnen med hver cyklus. Derudover er de meget dyre at bortskaffe og kan udgøre en sikkerhedsrisiko, hvis de oplades forkert eller hvis termisk løb opstår.
Termisk løb refererer til, at lithium‑ion‑battericeller overophedes, hvilket får omkringliggende celler til at gøre det samme. Resultatet er en massiv smeltning, der kan starte brande eller endda eksplosioner. Skaderne ved disse hændelser er veldokumenterede. En simpel søgning vil fremhæve en lang historie med lithium‑ion‑batteribrande verden over.
Overpotentiale
En anden bekymring for brugere af lithium‑ion‑batterier er overpotentiale. Dette udtryk refererer til den mængde energi, der bruges til at starte en kemisk reaktion og oplade batteriet. Lithium‑ion‑systemer lider under højt overpotentiale. Men alt dette er ved at ændre sig takket være nogle geniale forskere.
Hvad Er Lithium‑CO₂‑Batterier, og Hvordan Fungerer De?
Lithium‑CO₂‑batterier er dukket op som et spændende alternativ. Disse genopladelige batterier bruger CO₂-gas som energibærer. Denne struktur giver store fordele såsom forbedret ydeevne, højere kapacitet og renere luftkvalitet. Derfor mener mange, at lithium‑CO₂‑batterier er det bedste skridt mod at opnå netto‑nul CO₂‑udledning i fremtiden.
Ulemper ved Nuværende Lithium‑CO₂‑Batterier
En af de største ulemper ved at bruge Li‑CO₂‑batterier i dag er manglen på pålidelige og billige katalysatorer. Med denne erkendelse har ingeniører skabt en ny version, der integrerer de seneste fremskridt inden for materialvidenskab og computermodellering. Den nye tilgang lover at løse to problemer på én gang: energiforbrug og luftkvalitet.
University of Surrey’s Gennembrud i Lithium‑CO₂‑Batteriundersøgelse
Undersøgelsen1,”Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO2 Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst“, publiceret i Advanced Science, dykker ned i “breathing” batterier. Disse enheder bruger CO₂ til at interagere med en specialbygget katalysator og skaber en ren energicyklus.
Lithium‑CO₂‑Batterier Demonteret
Som en del af deres proces fremstillede ingeniørerne flere Li‑CO₂‑batterier med forskellige katalysatorer. De gennemførte derefter tusindvis af opladningscyklusser, hvilket svarer til års daglig brug. Efter cyklusperioden demonterede de enhederne for at opnå en dybere forståelse af, hvad der skete med hensyn til nedbrydning, ophobning og andre ydeevnebegrænsende faktorer. Bemærkelsesværdigt bemærkede holdet, at der dannedes lithiumkarbonataflejringer, som let kunne fjernes for at gøre det muligt for batteriet at forbedre sin opladningscyklus.
Lithium‑CO₂‑Batterier Computermodel
Forskerne brugte de data, de indsamlede fra deres eksperimenter, til at skabe en præcis computermodel. Modellen anvender densitetsfunktionel teori (DFT) til at forudsige kritiske detaljer og ændringer. Modellen forbedrede holdets evne til at udføre tankeeksperimenter og hjalp med at reducere samlede omkostninger, mens testene blev udvidet. Målet var at bruge modellen til at finde det bedste materiale til at skabe en stabil porøs struktur, der kan understøtte de kemiske reaktioner, som får lithium‑batterier til at fungere.
Cæsiumfosfomolybdat (CPM)
Efter nogle tests fastslog ingeniørerne, at cæsiumfosfomolybdat (Cs3PMo12O40, CPM) var en lovende mulighed. Ingeniørerne anvendte CPM som katalysator i Li‒CO₂‑batterier og udførte derefter flere tests. For at fremstille CPM syntetiserede ingeniørerne katalysatorerne og belagte en katode.
Materialet viste sig at være ideelt, fordi det havde mange elektroaktive steder og havde en ilt‑beriget overflade. Desuden har kompositten en unik mesoporøs morfologi, som bidrager til dens holdbarhed og ydeevne under opladningscyklusser, hvilket betyder, at disse batterier bruger mindre energi til genopladning sammenlignet med deres forgængere.
Denne CPM‑por er ideel, fordi den understøtter effektiv diffusion af CO₂‑molekyler og Li⁺‑ioner til de aktive steder. Derudover tjener porerne en anden funktion ved at rumme udladningsprodukter. Bemærkelsesværdigt er, at de krystallinske strukturer kun måler 140 nm i størrelse.
Pulver‑Røntgendiffraktion (PXRD)
Ingeniørerne gennemgik den krystallinske gitterstruktur og sammensætning af den syntetiserede CPM‑katalysator ved hjælp af en pulver‑røntgendiffraktionsmetode. Dette værktøj fungerer ved at fokusere røntgenstråler på strukturen og analysere dens diffraktionsmønster.
Fourier‑Transform Infrarød (FTIR)
Det næste skridt var at bestemme, hvilken energi der blev absorberet eller udsendt på grund af processerne. Ingeniørerne brugte en Fourier‑Transform infrarød spektroskopi til at udføre dette skridt. Holdet bemærkede tilstedeværelsen af keggin‑partikler under processen, hvilket stemte overens med deres beregningsmodel‑forudsigelser.
Keggin‑Enheder
Holdet brugte meget tid på at afgøre, om deres konstruktion havde keggin‑enheder integreret i overfladen. Keggin‑enheder refererer til en krystallinsk ramme, der er kendt for sin robusthed og strukturelle stabilitet. Det er den ideelle opsætning for batterier, fordi den bevarer sin struktur gennem cyklingsprocessen.
Røntgen‑Fotoelektronspektroskopi (XPS)
Holdet brugte røntgen‑fotoelektronspektroskopi til at opnå en dybere forståelse af katalysatorens kemiske tilstand under processen og efterfølgende. De fastslog præcist overfladens elementære sammensætning og justerede den for at optimere batteriets ydeevne og levetid.
Termogravimetri (TG)
Det næste skridt var at afgøre, om der var fugt, der trængte ind i systemet eller blev produceret som biprodukt. Forskerne anvendte termogravimetri til at vurdere vandindholdet i CPM‑kompositten. Testen afslørede, at det nye design kunne understøtte høj‑densitets batteriudviklinger.
Lithium‑CO₂‑Batterier Test
En række laboratorieeksperimenter hjalp ingeniørerne med at dobbelttjekke deres forudsigelser. Holdet udførte både fysiske og computer‑simulationer for at evaluere den elektrokatalytiske evne af CPM‑katalysatoren til at forbedre CRR/CER‑kinetikken. De fastslog, at deres struktur havde nogle unikke egenskaber, som gør den ideel til brug som katalysator.
Lithium‑CO₂‑Batterier Testresultater
Testresultaterne var øjenåbnende. Den nye batteristruktur fungerede uden fejl. Holdet gennemførte 100 cyklusser ved 50 mA g⁻¹ med en kapacitetsbegrænsning på 500 mAh g⁻¹. De bemærkede, at enheden kunne lagre mere energi og var lettere at oplade end traditionelle lithium‑ion‑alternativer. Imponerende demonstrerede de opgraderede batterier en fremragende udladningskapacitet på 15 440 mAh g⁻¹ ved 50 mA g⁻¹ med 97,3 % coulombisk effektivitet. Derudover leverede katalysatoren et lavt overpotentiale på 0,67 V.
Disse data viste, at det nye design var langt mere effektivt end den traditionelle katalysator. Specifikt tilbyder det en højere udladnings‑opladerkapacitet og batterier med lavere overpotentiale. Derudover understøtter Li‑CO₂‑batteridesignet en lang stabilitet på 107 cyklusser ved 50 mA g⁻¹ med en begrænset kapacitet på 500 mAh g⁻¹.
Topfordele ved Lithium‑CO₂‑Batterier for Ren Energi
Der er mange fordele, som lithium‑CO₂‑batterier bringer til markedet. For det første tilbyder de brugerne et rent alternativ til lithium‑ion‑batterier, som fortsat fylder lossepladser. Denne nye tilgang reducerer affald og drivhusgasemissioner samtidig, hvilket åbner døren for batteriindustrien til at foretage seriøse opgraderinger, mens forureningen mindskes.
Højere Kapacitet
Rapporten viser, at lithium‑CO₂‑batterier kan levere højere kapacitet end deres forgængere. Derudover har de et meget lavere overpotentiale, hvilket betyder, at de bruger langt mindre energi til opladning. Den mindre intensive opladningsmetode udvider batteriets livscyklus uden at reducere ydeevnen.
Lithium‑CO₂‑Batterier er mere Overkommelige.
En anden grund til, at batteriproducenter og forbrugere kan opleve en pludselig tilstrømning af lithium‑CO₂‑muligheder, er at de giver en mere overkommelig fremstillingsproces. Når du kombinerer de reducerede produktionsomkostninger med de lavere emissioner, fremstår lithium‑CO₂‑alternativet som en praktisk måde at lagre ren energi på.
Lithium‑CO₂‑Batterier er mere Skalerbare
Forskerne sikrede, at deres arbejde kunne skaleres for at imødekomme samfundets behov. Der er en enorm efterspørgsel efter rene energiløsninger til at drive bærbare enheder. Ingeniørerne ser denne batteriudvikling som en omkostningsreducerende opgradering, der samtidig har den ekstra fordel, at den fanger CO₂, en skadelig drivhusgas.
Lithium‑CO₂‑Batterier er mere Effektive.
Effektivitet er en anden fordel, som lithium‑CO₂‑batterier har sammenlignet med andre batteriløsninger. Disse næste‑generations strømkilder vil kunne fungere effektivt på tværs af et enormt udvalg af anvendelsestilfælde. Enhederne tilbyder mere energikapacitet og kan skaleres op for at sikre, at de passer til den pågældende anvendelse.
Ingen Sjældne Jordarter
Sjældne jordarter er en begrænset ressource, der fortsat får stigende værdi. Der er allerede store toldsatser og anden lovgivning for at beskytte adgangen til sjældne jordarter fra verdens supermagter. Ingeniørernes beslutning om at fjerne behovet for disse mineraler i deres batteridesign kan være en af de vigtigste årsager til, at denne teknologi får succes.
Reelle Anvendelser af Lithium‑CO₂‑Batterier og Hvornår Man Kan Forvente Dem
Der er mange anvendelser for grønnere batterier. Verden har brug for rene alternativer, der kan drive det stigende antal trådløse systemer, der bruges dagligt. Lithium‑CO₂ kan en dag drive dit hjem, din bil og dine enheder, samtidig med at det hjælper med at reducere skadelige drivhusgasser.
Rumrejser
Rumrejser er en anden anvendelse af denne teknologi. Efterhånden som forskere fortsætter med at finde måder at understøtte udforskning af dyb rummet og andre verdener, skal nye strømmuligheder undersøges. Denne seneste udvikling har nogle vigtige fordele, idet den kan fungere på fjerne planeter som Mars, fordi deres atmosfære består af 95 % CO₂.
Lithium‑CO₂‑Batterier Tidslinje
Det kan tage omkring +5 år, før CO₂‑batterier når forbrugerne. Teknologien er der, men holdet skal stadig finde den bedste tilgang til at bringe deres opfindelse på markedet. Bemærkelsesværdigt kan den stigende efterspørgsel efter at opfylde netto‑nul CO₂‑forpligtelser accelerere denne tidslinje og gøre integration af lithium‑CO₂‑muligheder til en prioritet.
Lithium‑CO₂‑Batterier Forskere
Lithium‑CO₂‑batteristudiet blev afholdt af Surreys School of Chemistry and Chemical Engineering og Advanced Technology Institute. Det banebrydende papir opremser Siddharth Gadkari og Daniel Commandeur som medforfattere til studiet. De modtog støtte fra Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr, James Wright, Thomas M Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai og Robert C. T. Slade.
Lithium‑CO₂‑Batterier Fremtid
Holdet ønsker at dykke dybere ned i andre materialer og hvordan disse katalysatorer interagerer med elektroder og elektrolytter. De vil også undersøge Keggin‑type polyoxometalater som en bifunktionel redox‑katalysator yderligere. Disse skridt kan hjælpe med at forbedre væsentlige aspekter af deres design, herunder den reversible cyklning af genopladelige Li–CO₂‑batterier.
Investering i Batterisektoren
Der er flere virksomheder involveret i batterimarkedet. Disse firmaer spænder fra tier‑1 kendte producenter til lavprisalternativer og endda kopivarer. Efterspørgslen efter kvalitetsbatterier forbliver høj. Her er en batteriproducent, der fortsat er positioneret for succes og kunne integrere lithium‑CO₂‑batterier i sine produkter i fremtiden.
Solid Power
Solid Power (SLDP ) kom ind på markedet i 2011 og har hovedkontor i Colorado. virksomhedens mål er at skabe højtydende solid‑state‑batterialternativer. Siden lanceringen har Solid Power oplevet betydelig støtte og vækst på markedet. Væksten skyldes primært deres innovative ånd og unikke produkter, der erstatter flydende elektrolytter med sulfidsolid‑alternativer. Denne tilgang reducerede risikoen for brand eller termisk løb.
Solid Power har flere strategiske partnerskaber med EV‑producenter. Disse partnerskaber er designet til at drive innovation og hjælpe markedet med at finde et sikrere og mere effektivt alternativ. I dag har virksomheden aftaler med en række producenter på tværs af industrier, herunder den medicinske og fremstillingssektoren.
(SLDP )
