Gennembrud inden for litium-CO₂-batterier indfanger kulstof, mens de driver enheder

Ingeniører fra University of Surrey har introduceret et lithium-CO2-batteri, der fjerner kuldioxid fra luften som en del af dets normale drift. Det opgraderede batteridesign har potentiale til at overgå sine forgængere, samtidig med at det bidrager til at bekæmpe forurening og klimaforandringer. Her er hvad du behøver at vide.

Hvorfor lithium-ion-batterier ikke lever op til grøn energibehovet

Fremtiden er trådløs, og producenter forstår, at der er en efterspørgsel efter rene batteriløsninger. De mest almindelige batterier, der anvendes i dag, er lithium-ion-batterier. Disse batterier kan findes i hverdagsenheder, såsom din mobiltelefon, elbil og smartwatch. Lithium-ion-batterier tilbyder en anstændig tæthed, gode opladningscyklusser og er overkommelige i pris. De er dog ikke bæredygtige og forbliver et stort forurenende stof på lossepladser globalt.

Vigtigste udfordringer ved litium-ion-batterier: Sikkerhed, omkostninger og spild

Der er adskillige problemer med lithium-ion-batterier, som har begrænset deres effektivitet og virkningsgrad. For det første kræver de brug af dyre, sjældne jordarters materialer. Ressourcer som platin er svære at finde og øger omkostningerne ved fremstillingsprocessen betydeligt. Derudover er efterspørgslen efter sjældne jordarters mineraler blevet en sikkerhedsmæssig bekymring for nationer, der nu søger at sikre sig store forsyninger af disse essentielle varer.

Litium-ion-batterier lider også af dårlig levetid. Dette batteris design medfører et vist tab for hver opladningscyklus. Som sådan reducerer litium-ion-batteriers ydeevne for hver cyklus. Derudover er de meget dyre at bortskaffe og kan blive en sikkerhedsrisiko, hvis de oplades forkert, eller hvis der opstår termisk løb.

Termisk runaway refererer til overophedning af lithium-ion-battericeller, hvilket får de omkringliggende celler til at gøre det samme. Resultatet er en massiv nedsmeltning, der kan starte brande eller endda eksplosioner. Skaderne forårsaget under disse hændelser er veldokumenterede. En simpel søgning vil fremhæve en lang historie med brande i lithium-ion-batterier over hele kloden.

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 af højt overpotentiale. Men alt dette er ved at ændre sig takket være nogle opfindsomme forskere.

Hvad er litium-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 nogle store fordele, såsom forbedret ydeevne, højere kapacitet og renere luftkvalitet. Derfor mener mange, at lithium-CO2-batterier er det bedste skridt til at opnå netto-nul COXNUMX-udledning i fremtiden.

Ulemper ved nuværende lithium-CO2-batterier

En af de største ulemper ved at bruge Li-CO2-batterier i øjeblikket er manglen på pålidelige og billige katalysatorer. I erkendelse af dette har ingeniører skabt en ny version, der integrerer de seneste fremskridt inden for materialevidenskab og computermodellering. Den nye tilgang lover at tackle to problemer på én gang: energiforbrug og luftkvalitet.

University of Surreys banebrydende studie af lithium-CO₂-batterier

Studiet¹, "Ultralavt overpotentiale i genopladelige Li-CO2-batterier muliggjort af cæsiumphosphomolybdat som en effektiv redoxkatalysator,” udgivet i Advanced Science, dykker ned i “vejrtrækning"batterier. Disse enheder bruger CO2 til at interagere med en specialbygget katalysator, hvilket skaber en ren energiløkke.

Lithium-CO2-batterier demonteret

Som en del af deres proces skabte ingeniørerne adskillige Li-CO2-batterier med forskellige katalysatorer. Derefter ladede de batterierne gennemgå tusindvis af opladningscyklusser, hvilket repræsenterer års daglig brug. De adskilte derefter enhederne efter cyklusperioden for at få en dybere forståelse af, hvad der skete med hensyn til nedbrydning, ophobning og andre ydeevnebegrænsende faktorer. Det er værd at bemærke, at teamet bemærkede, at der ville dannes lithiumkarbonataflejringer, og at disse let kunne fjernes for at forbedre batteriets opladningscyklus.

Kilde - Surrey School of Chemistry and Chemical Engineering og Advanced Technology Institute

Lithium-CO2-batterier Computermodel

Forskerne brugte de data, de fik fra deres eksperimenter, til at skabe en præcis computermodel. Modellen bruger tæthedsfunktionalteori (DFT) til at forudsige kritiske detaljer og ændringer. Modellen forbedrede teamets evne til at udføre tankeeksperimenter og hjalp teamet med at reducere de samlede omkostninger, samtidig med at de udvidede deres test. Målet var at bruge modellen til at finde det bedste materiale til at skabe en stabil porøs struktur, der kunne understøtte de kemiske reaktioner, der får lithiumbatterier til at fungere.

Cæsiumphosphomolybdat (CPM)

Efter nogle tests besluttede ingeniørerne, at cæsiumphosphomolybdat (Cs3PMo12O40, CPM) var en lovende mulighed. Ingeniørerne anvendte CPM som katalysator i Li‒CO2-batterier og udførte derefter adskillige tests. For at skabe CPM syntetiserede ingeniørerne katalysatorerne og belagde en katode.

Materialet viste sig at være ideelt, fordi det havde mange elektroaktive steder og en iltberiget overflade. Kompositten har også en unik mesoporøs morfologi, der øger dens holdbarhed og ydeevne under opladningscyklusser, hvilket betyder, at disse batterier bruger mindre energi til at genoplade i forhold til deres forgængere.

Denne CPM-pore er ideel, fordi den understøtter effektiv diffusion af CO2-molekyler og Li+-ioner til de aktive steder. Derudover tjener porerne en anden rolle, idet de rummer udledningsprodukter. Bemærkelsesværdigt måler de krystallinske strukturer kun 140 nm i størrelse.

Pulverrøntgendiffraktion (PXRD)

Ingeniørerne gennemgik krystalgitterstrukturen og sammensætningen af ​​den syntetiserede CPM-katalysator ved hjælp af en pulverrøntgendiffraktionsmetode. Dette værktøj fungerer ved at fokusere røntgenstråler på strukturen og analysere dens diffraktionsmønster.

Fourier Transform Infrarød (FTIR)

Det næste trin var at bestemme, hvilken energi der blev absorberet eller udsendt på grund af processerne. Ingeniørerne brugte Fourier Transform Infrared-spektroskopi til at udføre dette trin. Holdet bemærkede tilstedeværelsen af ​​keggin-partiklerne under processen, hvilket var i overensstemmelse med deres forudsigelser fra beregningsmodellen.

Keggin-enheder

Holdet brugte en stor indsats på at afgøre, om deres kreation havde keggin-enheder integreret i overfladen. Keggin-enheder refererer til et krystallinsk rammeværk, der er kendt for sin robusthed og strukturelle stabilitet. Det er den ideelle opsætning til batterier, fordi det bevarer sin struktur gennem cyklingsprocessen.

Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS)

Holdet brugte røntgenfotoelektronspektroskopi til at få en dybere forståelse af katalysatorens kemiske tilstand under processen og efter. De bestemte nøjagtigt overfladens elementære sammensætning og justerede den for at optimere batteriets ydeevne og levetid.

Termogravimetri (TG)

Det næste skridt var at bestemme, om der var fugt, der trængte ind i systemet, eller om det var et biprodukt. Forskerne anvendte termogravimetri til at vurdere vandindholdet i CPM-kompositten. Testen viste, at det nye design kunne understøtte udvikling af batterier med høj densitet.

Test af litium-CO2-batterier

En række laboratorieeksperimenter hjalp ingeniørerne med at dobbelttjekke deres forudsigelser. Holdet kørte både fysiske og computersimuleringer for at evaluere CPM-katalysatorens elektrokatalytiske evne til at forbedre CRR/CER-kinetikken. De fastslog, at dens struktur havde nogle unikke egenskaber, der gør den ideel til brug som katalysator.

Testresultater for litium-CO2-batterier

Testresultaterne var øjenåbnende. Den nye batteristruktur fungerede uden fejl. Holdet udførte 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-muligheder. Imponerende nok viste de opgraderede batterier en fremragende afladningskapacitet på 15440 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 afladnings- og ladekapacitet og lavere overpotentiale for batterier. Li-CO2-batteridesignet understøtter også en lang stabilitet på 107 cyklusser ved 50 mA g−1 med en begrænset kapacitet på 500 mAh g−1.

De største fordele ved lithium-CO₂-batterier til ren energi

Der er mange fordele ved lithium-CO2-batterier på 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, samtidig med at forureningen reduceres.

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 intense opladningsmetode forlænger batteriets levetid uden at reducere dets ydeevne.

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 man kombinerer de reducerede produktionsomkostninger med de lavere emissioner, virker 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 massiv efterspørgsel efter rene energimuligheder til at drive bærbare enheder. Ingeniørerne ser denne batteriudvikling som en omkostningsbesparende opgradering, der har den ekstra fordel, at den indfanger CO2, en skadelig drivhusgas.

Lithium-CO2-batterier er mere effektive.

Effektivitet er en anden fordel ved lithium-CO2-batterier sammenlignet med andre batteriløsninger. Disse næste generations strømforsyninger vil være i stand til at fungere effektivt på tværs af en bred vifte af anvendelsesscenarier. Enhederne tilbyder mere energikapacitet og kan skaleres op for at sikre, at de passer rigtigt til applikationen.

Ingen sjældne jordmetaller

Sjældne jordartsmetaller er en begrænset ressource, der fortsat oplever stigende værdi. Der er allerede omfattende toldsatser og anden lovgivning på plads for at forsøge at beskytte verdens supermagters adgang til sjældne jordartsmetaller. Ingeniørens beslutning om at eliminere behovet for disse mineraler i deres batteridesign kan være en af ​​hovedårsagerne til, at denne teknologi er en succes.

Virkelige anvendelser af lithium-CO₂-batterier og hvornår man kan forvente dem

Der er mange anvendelsesmuligheder 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.

Rumrejse

Rumrejser er en anden anvendelse af denne teknologi. Efterhånden som forskere fortsætter med at finde måder at understøtte udforskning af det ydre rum og andre verdener, skal der forskes i nye energimuligheder. Denne seneste udvikling har nogle vigtige fordele, idet den kan fungere på fjerne planeter som Mars, da dens atmosfære består af 95% CO₂.

Tidslinje for lithium-CO2-batterier

Det kan tage omkring +5 år, før CO2-batterier når forbrugerne. Teknologien er der, men teamet skal stadig finde den bedste tilgang til at bringe deres opfindelse på markedet. Især den stigende efterspørgsel efter at opfylde netto-nul CO2-forpligtelser kan fremskynde denne tidslinje og bidrage til at prioritere integrationen af ​​lithium-COXNUMX-muligheder.

Forskere på litium-CO2-batterier

Studiet af lithium-CO2-batterier blev udført af Surrey's School of Chemistry and Chemical Engineering og Advanced Technology Institute. Den banebrydende artikel nævner 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 CT Slade.

Fremtiden for lithium-CO2-batterier

Holdet søger at dykke dybere ned i andre materialer og hvordan disse katalysatorer interagerer med elektroder og elektrolytter. De ønsker også at udforske Keggin-typen polyoxometalat yderligere som en bifunktionel redoxkatalysator. Disse trin kan bidrage til at forbedre vigtige aspekter af deres design, herunder den reversible cykling af genopladelige Li-CO2-batterier.

Investering i batterisektoren

Der er adskillige virksomheder involveret på batterimarkedet. Disse virksomheder spænder over hele spektret fra velkendte producenter i topklasse til billige alternativer og endda kopier. Efterspørgslen efter kvalitetsbatterier er fortsat høj. Her er én batteriproducent, der fortsat er positioneret til succes og kan integrere lithium-CO2-batterier i sine produkter i fremtiden.

Solid kraft

Solid kraft (SLDP ) kom på markedet i 2011 og har hovedkvarter i Colorado. Virksomhedens mål er at skabe højtydende alternativer til solid-state-batterier. Siden lanceringen har Solid Power oplevet betydelig støtte og vækst på markedet. Denne vækst skyldes primært deres innovative ånd og unikke produkter, der erstatter flydende elektrolytter med sulfidbaserede alternativer. Denne tilgang reducerede risikoen for brand eller termisk løbskhed.

Solid Power har adskillige strategiske partnerskaber med producenter af elbiler. Disse partnerskaber er designet til at fremme innovation og hjælpe markedet med at finde et sikrere og mere effektivt alternativ. I dag har virksomheden aftaler med en række producenter fra forskellige brancher, herunder medicinal- og produktionssektoren.

De, der søger en solid batteriaktie med vækstpotentiale, bør overveje at undersøge SLDP yderligere. Virksomhedens partnerskaber og produkter har begejstret mange analytikere. Derudover er der en stigende efterspørgsel efter dens tjenester, hvilket kan korrelere med merværdi for aktien i de kommende uger.

Seneste nyheder og udviklinger om Solid Power (SLDP) aktier

Lithium-CO2-batterier – ren energi til farten

Lithium-CO2-batterier kan hjælpe ingeniører med at sætte en stopper for brandfaren og skaden forårsaget af termisk løbning i lithium-ion-batterier. Disse enheder er overalt, og at erstatte dem med et sikrere og mere effektivt alternativ kan hjælpe en stor del af befolkningen. Derfor fortsætter producenter og ingeniører med at bruge tid, penge og kræfter på at forbedre nutidens batterier. Heldigvis maksimerer dette seneste produkt deres indsats sammen med produktion af ren energi.

Lær om andre seje energiudviklinger nu.

Referencer til undersøgelser:

^{1. Masoudi, M., Xavier Jr, NF, Wright, J., Roseveare, TM, Hinder, S., Stolojan, V., Cai, Q., Slade, RCT, Commandeur, D., & Gadkari, S. (2025). Ultralavt overpotentiale i genopladelige Li-CO₂-batterier muliggjort af cæsiumphosphomolybdat som en effektiv redoxkatalysatorAvanceret Videnskab, 12(17), 2502553. https://doi.org/10.1002/advs.202502553}