Επανάσταση Μπαταρίας Λιθίου-CO₂: Συλλαμβάνει Άνθρακα Καθώς Τροφοδοτεί Συσκευές

Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Surrey παρουσίασαν μια πειραματική επαναφορτιζόμενη μπαταρία λιθίου–διοξειδίου του άνθρακα (Li–CO₂). Χρησιμοποιεί CO₂ κατά την εκφόρτιση και έναν νέο καταλύτη για να μειώσει την ενέργεια που απαιτείται κατά τη φόρτιση. Τα εργαστηριακά αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά, αλλά η τεχνολογία δεν έχει ακόμη αποδειχθεί σε εμπορικές συσκευές ούτε αποτελεί δοκιμασμένη μέθοδο απομάκρυνσης CO₂ από την ατμόσφαιρα.

Γιατί αναζητούνται νέες χημικές συνθέσεις μπαταριών

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται σε τηλέφωνα, φορητές συσκευές και ηλεκτρικά οχήματα. Έχουν υψηλή απόδοση, αλλά η παραγωγή, η ασφάλεια και η ανακύκλωσή τους παραμένουν σημαντικές προκλήσεις. Η θερμική διαφυγή μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση και πυρκαγιά όταν ένα στοιχείο αστοχήσει. Η συγκεκριμένη μελέτη, πάντως, δεν αποδεικνύει ότι όλες οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν μικρή διάρκεια ζωής ή ότι χρησιμοποιούν πλατίνα και σπάνιες γαίες.

Πώς λειτουργεί μια μπαταρία Li–CO₂

Κατά την εκφόρτιση, το CO₂ συμμετέχει στην ηλεκτροχημική αντίδραση και σχηματίζεται, μεταξύ άλλων, ανθρακικό λίθιο (Li₂CO₃). Για να επαναφορτιστεί η μπαταρία, τα προϊόντα της εκφόρτισης πρέπει να διασπαστούν. Αυτό συχνά απαιτεί μεγάλη διαφορά μεταξύ της τάσης φόρτισης και της τάσης εκφόρτισης, το λεγόμενο υπερδυναμικό, και προκαλεί απώλειες ενέργειας. Η αργή κινητική των αντιδράσεων και η περιορισμένη αναστρεψιμότητα έχουν εμποδίσει μέχρι σήμερα την πρακτική αξιοποίηση αυτών των στοιχείων.

Ο καταλύτης του Πανεπιστημίου του Surrey

Στη μελέτη «Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO₂ Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst», που δημοσιεύτηκε στο Advanced Science, η ομάδα χρησιμοποίησε φωσφομολυβδαινικό καίσιο (Cs₃PMo₁₂O₄₀, CPM) στην κάθοδο. Πρόκειται για πολυοξομεταλλική ένωση τύπου Keggin. Οι ερευνητές τη συνέθεσαν με σχετικά απλή μέθοδο και συνέκριναν συνθέσεις καθόδου σε πειραματικά στοιχεία Li–CO₂.

Η επιφάνεια του CPM διαθέτει θέσεις που διευκολύνουν τις ηλεκτροχημικές αντιδράσεις. Η μεσοπορώδης δομή του επιτρέπει τη μεταφορά μορίων CO₂ και ιόντων λιθίου προς τις ενεργές θέσεις και παρέχει χώρο για τα προϊόντα εκφόρτισης. Τα σωματίδια είχαν μέγεθος περίπου 140 nm. Οι ερευνητές συνδύασαν εργαστηριακές μετρήσεις με υπολογισμούς θεωρίας συναρτησιακού της πυκνότητας (DFT) για να εξετάσουν την πρόσδεση των αντιδρώντων και τη δράση του καταλύτη.

Πώς χαρακτηρίστηκε το υλικό

Η περίθλαση ακτίνων Χ σε σκόνη (PXRD) χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της κρυσταλλικής δομής. Η υπέρυθρη φασματοσκοπία μετασχηματισμού Fourier (FTIR) βοήθησε στην αναγνώριση των χημικών δεσμών και της δομής τύπου Keggin. Η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS) παρείχε πληροφορίες για τη στοιχειακή σύσταση και τις χημικές καταστάσεις στην επιφάνεια. Με θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TG) εξετάστηκε επίσης η συμπεριφορά του υλικού κατά τη θέρμανση. Αυτές είναι μέθοδοι χαρακτηρισμού του καταλύτη, όχι δοκιμές απόδοσης πλήρους εμπορικής μπαταρίας.

Αποτελέσματα των εργαστηριακών δοκιμών

Στη σύνθεση με CPM, οι ερευνητές ανέφεραν ειδική χωρητικότητα εκφόρτισης 15.440 mAh ανά γραμμάριο ενεργού υλικού σε πυκνότητα ρεύματος 50 mA/g, απόδοση Coulomb 97,3% και υπερδυναμικό 0,67 V. Το στοιχείο λειτούργησε για 107 κύκλους σε 50 mA/g όταν η χωρητικότητα περιορίστηκε στα 500 mAh/g ανά κύκλο. Οι αριθμοί αυτοί αφορούν τις συγκεκριμένες εργαστηριακές συνθήκες και δεν αποτελούν άμεση σύγκριση της αυτονομίας ενός οχήματος ή τηλεφώνου με σημερινές εμπορικές μπαταρίες.

Το χαμηλότερο υπερδυναμικό υποδηλώνει μικρότερη ενεργειακή απώλεια κατά τον κύκλο φόρτισης και εκφόρτισης σε σχέση με τους καταλύτες αναφοράς της μελέτης. Απαιτούνται όμως περισσότερες δοκιμές για την ανθεκτικότητα, την ασφάλεια, την πλήρη ενεργειακή απόδοση, την προμήθεια CO₂ και το κόστος κατασκευής πριν εξαχθούν συμπεράσματα για παραγωγή μεγάλης κλίμακας.

Δυνατότητες και περιορισμοί

Η χρήση CO₂ ως αντιδρώντος συνδέει την αποθήκευση ενέργειας με την ηλεκτροχημική μετατροπή του. Αυτό δεν σημαίνει ότι ένα κλειστό επαναφορτιζόμενο στοιχείο απομακρύνει μόνιμα άνθρακα από την ατμόσφαιρα: κατά τη φόρτιση αντιστρέφεται η αντίδραση. Ο πραγματικός περιβαλλοντικός αντίκτυπος θα εξαρτηθεί από ολόκληρο τον κύκλο ζωής, την πηγή του CO₂, την ηλεκτρική ενέργεια φόρτισης και την επεξεργασία των υλικών.

Θεωρητικές εφαρμογές περιλαμβάνουν αποθήκευση ενέργειας σε ειδικά συστήματα όπου υπάρχει διαθέσιμο CO₂. Η προοπτική χρήσης σε κατοικίες, οχήματα ή διαστημικές αποστολές παραμένει υποθετική. Η παρουσία CO₂ στην ατμόσφαιρα του Άρη από μόνη της δεν αποδεικνύει ότι το πειραματικό στοιχείο θα λειτουργούσε εκεί. Δεν υπάρχει τεκμηριωμένο χρονοδιάγραμμα εμπορικής διάθεσης.

Οι ερευνητές και τα επόμενα βήματα

Η εργασία πραγματοποιήθηκε με συμμετοχή ερευνητών της Σχολής Χημείας και Χημικής Μηχανικής και του Advanced Technology Institute του Πανεπιστημίου του Surrey. Η περαιτέρω έρευνα θα πρέπει να εξετάσει τη συμπεριφορά του καταλύτη με διαφορετικά ηλεκτρόδια και ηλεκτρολύτες, καθώς και τη σταθερότητα σε περισσότερους κύκλους και σε μεγαλύτερα στοιχεία.

Εταιρείες του ευρύτερου κλάδου μπαταριών

Η Solid Power (SLDP ) αναπτύσσει μπαταρίες στερεού ηλεκτρολύτη. Πρόκειται για διαφορετική τεχνολογία από το πειραματικό στοιχείο Li–CO₂ του Surrey. Η αναφορά της εταιρείας εδώ δεν σημαίνει ότι έχει αδειοδοτήσει τον καταλύτη CPM ή ότι σχεδιάζει προϊόν βασισμένο σε αυτή τη μελέτη.

Συμπέρασμα

Ο καταλύτης CPM βελτίωσε μετρήσιμα την απόδοση ενός πειραματικού στοιχείου Li–CO₂: 0,67 V υπερδυναμικό και 107 κύκλοι στις δηλωμένες συνθήκες. Είναι ένα βήμα στην έρευνα των επαναφορτιζόμενων μπαταριών, όχι απόδειξη ότι υπάρχει ήδη φθηνή εμπορική μπαταρία που καθαρίζει τον αέρα. Πρωτογενής δημοσίευση.