Litium-CO₂-akkujen läpimurto talteenottaa hiiltä laitteiden virransyötöllä

Surreyn yliopiston insinöörit ovat esitelleet litium-CO2-akun, joka poistaa hiilidioksidia ilmasta osana normaalia toimintaansa. Päivitetyllä akkurakenteella on potentiaalia ylittää edeltäjänsä ja auttaa torjumaan saasteita ja ilmastonmuutosta. Tässä on mitä sinun on tiedettävä.

Miksi litiumioniakut jäävät jälkeen vihreästä energiasta

Tulevaisuus on langaton, ja valmistajat ymmärtävät, että puhtaille akkuratkaisuille on kysyntää. Yleisimmät nykyään käytetyt akut ovat litiumioniakkuja. Näitä akkuja löytyy jokapäiväisistä laitteista, kuten matkapuhelimesta, sähköautosta ja älykellosta. Litiumioniakut tarjoavat kohtuullisen tiheyden, lataussyklit ja ovat edullisia. Ne eivät kuitenkaan ole kestäviä ja ovat edelleen merkittävä saaste kaatopaikoilla maailmanlaajuisesti.

Litiumioniakkujen keskeiset haasteet: turvallisuus, kustannukset ja jätteet

Litiumioniakkuihin liittyy useita ongelmia, jotka ovat rajoittaneet niiden tehokkuutta ja hyötysuhdetta. Ensinnäkin ne vaativat kalliiden harvinaisten maametallien käyttöä. Resursseja, kuten platinaa, on vaikea hankkia, ja se nostaa valmistusprosessin kustannuksia huomattavasti. Lisäksi harvinaisten maametallien kysynnästä on tullut turvallisuusongelma maille, jotka pyrkivät nyt varmistamaan näiden välttämättömien aineiden runsaat varastot.

Litiumioniakut kärsivät myös lyhyestä syklin käyttöiästä. Tämän akun suunnittelu aiheuttaa jonkin verran häviötä jokaisella latauskerralla. Tästä johtuen litiumioniakkujen suorituskyky heikkenee jokaisen latauskerran myötä. Lisäksi niiden hävittäminen on erittäin kallista, ja niistä voi tulla turvallisuusriski, jos niitä ladataan väärin tai jos tapahtuu lämpöpurkaus.

Lämpöpurkauksella tarkoitetaan litiumioniakkujen kennojen ylikuumenemista, mikä aiheuttaa ympäröivien kennojen ylikuumenemisen. Seurauksena on massiivinen sulaminen, joka voi aiheuttaa tulipaloja tai jopa räjähdyksiä. Näiden tapahtumien aikana aiheutuneet vahingot on dokumentoitu hyvin. Yksinkertainen haku tuo esiin pitkän historian litiumioniakkujen tulipaloista ympäri maailmaa.

Yli potentiaalin

Toinen litiumioniakkujen käyttäjien huolenaihe on ylijännite. Tämä termi viittaa kemiallisen reaktion käynnistämiseen ja akun lataamiseen käytettävän energian määrään. Litiumioniakkujärjestelmät kärsivät korkeasta ylipotentiaalista. Kaikki tämä on kuitenkin pian muuttumassa joidenkin kekseliäiden tiedemiesten ansiosta.

Mitä ovat litium-CO₂-akut ja miten ne toimivat?

Litium-CO2-akut ovat nousseet jännittäväksi vaihtoehdoksi. Nämä ladattavat akut käyttävät hiilidioksidikaasua energiankantajana. Tämä rakenne tarjoaa merkittäviä etuja, kuten paremman suorituskyvyn, suuremman kapasiteetin ja puhtaamman ilmanlaadun. Tämän vuoksi monet uskovat, että litium-CO2-akut ovat paras askel kohti hiilineutraaliutta tulevaisuudessa.

Nykyisten litium-CO2-akkujen haitat

Yksi Li-CO2-akkujen nykyisen käytön suurimmista haitoista on luotettavien ja edullisten katalyyttien puute. Tämän tosiasian tiedostaen insinöörit ovat luoneet uuden version, joka yhdistää materiaalitieteen ja tietokonemallinnuksen viimeaikaiset edistysaskeleet. Uusi lähestymistapa lupaa puuttua kahteen ongelmaan kerralla: energiankulutukseen ja ilmanlaatuun.

Surreyn yliopiston läpimurto litium-CO₂-akkujen tutkimuksessa

Tutkimus¹, "Cesiumfosfomolybdaatti tehokkaana redox-katalyyttinä mahdollistaa ladattavien Li-CO2-akkujen erittäin matalan ylipotentiaalin”, joka julkaistiin Advanced Science -lehdessä, syventyy aiheeseen ”hengittäminen”akkuja. Nämä laitteet käyttävät hiilidioksidia vuorovaikutuksessa tarkoitukseen rakennetun katalyytin kanssa, mikä luo puhtaan energian kierron.

Litium-CO2-akut purettuna

Osana prosessiaan insinöörit loivat useita Li-CO2-akkuja, joissa oli erilaiset katalyyttit. Sitten he aloittivat akut tuhansien lataussyklien ajan, mikä edusti vuosien päivittäistä käyttöä. Syklijakson jälkeen he purkivat yksiköt saadakseen syvemmän käsityksen tapahtuneesta hajoamisesta, kertymisestä ja muista suorituskykyä rajoittavista tekijöistä. Tiimi huomasi erityisesti, että litiumkarbonaattikerrostumia muodostui ja että ne voitiin helposti poistaa akun lataussyklin parantamiseksi.

Lähde - Surreyn kemian ja kemiantekniikan koulu ja edistyneen teknologian instituutti

Litium-CO2-akut Tietokoneen malli

Tutkijat hyödynsivät kokeistaan ​​saamiaan tietoja luodakseen tarkan tietokonemallin. Malli käyttää tiheysfunktionaaliteoriaa (DFT) kriittisten yksityiskohtien ja muutosten ennustamiseen. Malli paransi tiimin kykyä suorittaa ajatuskokeita ja auttoi tiimiä vähentämään kokonaiskustannuksia samalla kun se laajensi testaustaan. Tavoitteena oli hyödyntää mallia parhaan materiaalin löytämiseksi vakaan huokoisen rakenteen luomiseksi, joka voisi tukea litiumparistojen toimintaan vaikuttavia kemiallisia reaktioita.

Cesiumfosfomolybdaatti (CPM)

Joidenkin testien jälkeen insinöörit totesivat, että cesiumfosfomolybdaatti (Cs3PMo12O40, CPM) oli lupaava vaihtoehto. Insinöörit sovelsivat CPM:ää katalyyttinä Li‒CO2-akuissa ja suorittivat sitten useita testejä. CPM:n luomiseksi insinöörit syntetisoivat katalyytit ja päällystivät katodin.

Materiaalin todettiin olevan ihanteellinen, koska siinä oli useita sähköaktiivisia kohtia ja hapella rikastettu pinta. Lisäksi komposiitilla on ainutlaatuinen mesohuokoinen morfologia, joka lisää sen kestävyyttä ja suorituskykyä lataussyklien aikana, mikä tarkoittaa, että nämä akut kuluttavat vähemmän energiaa latautumiseen kuin edeltäjänsä.

Tämä CPM-huokos on ihanteellinen, koska se tukee CO2-molekyylien ja Li+-ionien tehokasta diffuusiota aktiivisiin kohtiin. Lisäksi huokosilla on toinenkin rooli, sillä ne vastaanottavat purkaustuotteita. Merkillepantavaa on, että kiteisten rakenteiden koko on vain 140 nm.

Jauheröntgendiffraktio (PXRD)

Insinöörit tarkastelivat syntetisoidun CPM-katalyytin kidehilarakennetta ja koostumusta jauheröntgendiffraktiomenetelmällä. Tämä työkalu toimii kohdistamalla röntgensäteet rakenteeseen ja analysoimalla sen diffraktiokuviota.

Fourier-muunnosinfrapuna (FTIR)

Seuraava vaihe oli määrittää, mitä energiaa prosessien aikana absorboitui tai vapautui. Insinöörit käyttivät tähän Fourier-muunnosinfrapunaspektroskopiaa. Tiimi havaitsi keggin-hiukkasten läsnäolon prosessin aikana, mikä oli linjassa heidän laskennallisen mallin ennusteidensa kanssa.

Keggin-yksiköt

Tiimi näki paljon vaivaa selvittääkseen, oliko heidän luomuksensa pintaan integroitu keggin-yksiköitä. Keggin-yksiköt viittaavat kiteiseen rakenteeseen, joka tunnetaan kestävyydestään ja rakenteellisesta vakaudestaan. Se on ihanteellinen järjestely akuille, koska se säilyttää rakenteensa koko syklin ajan.

Röntgenfotoelektronispektroskopia (XPS)

Tiimi käytti röntgenfotoelektronispektroskopiaa saadakseen syvemmän ymmärryksen katalyytin kemiallisesta tilasta prosessin aikana ja sen jälkeen. He määrittivät tarkasti pinnan alkuainekoostumuksen ja säätivät sitä akun suorituskyvyn ja pitkäikäisyyden optimoimiseksi.

Termogravimetria (TG)

Seuraava vaihe oli selvittää, pääsikö järjestelmään kosteutta vai syntyikö sitä sivutuotteena. Tutkijat käyttivät termogravimetriaa CPM-komposiitin vesipitoisuuden arvioimiseen. Testi osoitti, että uusi rakenne voisi tukea tiheiden akkujen kehitystä.

Litium-CO2-akkujen testi

Sarja laboratoriokokeita auttoi insinöörejä tarkistamaan ennusteensa. Tiimi suoritti sekä fysikaalisia että tietokonesimulaatioita arvioidakseen CPM-katalyytin sähkökatalyyttistä kykyä parantaa CRR/CER-kinetiikkaa. He havaitsivat, että sen rakenteella oli joitakin ainutlaatuisia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä ihanteellisen katalyyttikäyttöön.

Litium-CO2-akkujen testitulokset

Testitulokset olivat silmiä avaavia. Uusi akkurakenne toimi moitteettomasti. Tiimi suoritti 100 lataussykliä 50 mA g−1 virralla ja 500 mAh g−1 kapasiteettirajoituksella. He totesivat, että laite pystyi varastoimaan enemmän energiaa ja oli helpompi ladata kuin perinteiset litiumioniakut. Päivitettyjen akkujen purkauskapasiteetti oli vaikuttava, 15440 mAh g−1 50 mA g−1 virralla ja 97.3 %:n coulombisella hyötysuhteella. Lisäksi katalyytti tuotti matalan 0.67 V:n ylijännitteen.

Nämä tiedot osoittivat, että uusi rakenne oli paljon tehokkaampi kuin perinteinen katalyytti. Tarkemmin sanottuna se tarjoaa korkeamman purkaus-latauskapasiteetin ja alhaisemman ylijännitteen akuille. Lisäksi Li-CO2-akun rakenne tukee pitkää 107 syklin vakautta 50 mA g−1:n virralla ja rajoitetulla 500 mAh g−1:n kapasiteetilla.

Litium-CO₂-akkujen tärkeimmät edut puhtaassa energiassa

Litium-CO2-akut tuovat markkinoille paljon etuja. Ensinnäkin ne tarjoavat käyttäjille puhtaan vaihtoehdon litiumioniakuille, jotka täyttävät jatkuvasti kaatopaikkoja. Tämä uusi lähestymistapa vähentää samalla jätettä ja kasvihuonekaasupäästöjä, mikä avaa akkuteollisuudelle oven merkittäviin parannuksiin ja vähentää samalla saasteita.

Suurempi kapasiteetti

Raportti osoittaa, että litium-CO2-akut voivat tarjota suuremman kapasiteetin kuin edeltäjänsä. Lisäksi niillä on paljon alhaisempi ylijännite, mikä tarkoittaa, että ne käyttävät paljon vähemmän energiaa lataamiseen. Vähemmän intensiivinen lataustapa pidentää akun käyttöikää heikentämättä sen suorituskykyä.

Litium-CO2-akut ovat edullisempia.

Toinen syy, miksi akkuvalmistajat ja kuluttajat voivat nähdä litium-CO2-vaihtoehtojen äkillisen suosion, on se, että ne tarjoavat edullisemman valmistusprosessin. Kun yhdistetään alhaisemmat valmistuskustannukset ja alhaisemmat päästöt, litium-CO2-vaihtoehto vaikuttaa käytännölliseltä tavalta varastoida puhdasta energiaa.

Litium-CO2-akut ovat skaalautuvampia

Tutkijat varmistivat, että heidän työnsä skaalautuisi yhteisön tarpeisiin. Puhtaille energiavaihtoehdoille kannettavien laitteiden virtalähteenä on valtava kysyntä. Insinöörit näkevät tämän akkukehityksen kustannussäästöpäivityksenä, jonka lisäetuna on, että se sitoo hiilidioksidia, haitallista kasvihuonekaasua.

Litium-CO2-akut ovat tehokkaampia.

Tehokkuus on toinen litium-CO2-akkujen etu verrattuna muihin akkuratkaisuihin. Nämä seuraavan sukupolven virtalähteet pystyvät toimimaan tehokkaasti monenlaisissa käyttötilanteissa. Yksiköt tarjoavat enemmän energiakapasiteettia ja niitä voidaan skaalata ylöspäin, jotta ne sopivat varmasti sovellukseen.

Ei harvinaisia ​​maametalleja

Harvinaiset maametallit ovat rajallinen resurssi, jonka arvo kasvaa jatkuvasti. Maailman suurvaltojen pääsyä harvinaisiin maametalleihin on jo suojattu merkittävillä tulleilla ja muulla lainsäädännöllä. Insinöörien päätös poistaa näiden mineraalien tarve akkusuunnittelussaan voi olla yksi tärkeimmistä syistä tämän teknologian menestykseen.

Litium-CO₂-akkujen todelliset sovellukset ja milloin niitä on odotettavissa

Ympäristöystävällisemmille akuille on monia sovelluksia. Maailma tarvitsee puhtaita vaihtoehtoja, jotka voivat virtaa päivittäin käytössä olevien langattomien järjestelmien kasvavaan määrään. Litium-CO2 voisi jonain päivänä käyttää virtaa kodissasi, autossasi ja laitteissasi ja samalla auttaa vähentämään haitallisia kasvihuonekaasuja.

Avaruusmatkailu

Avaruusmatkailu on toinen tämän teknologian sovellus. Tiedemiehet pohtivat jatkuvasti tapoja tukea syvän avaruuden ja muiden maailmojen tutkimusta, joten on tutkittava uusia energialähteitä. Tällä viimeisimmällä kehityksellä on joitakin keskeisiä etuja, sillä se voisi toimia kaukaisilla planeetoilla, kuten Marsissa, koska sen ilmakehä koostuu 95-prosenttisesti hiilidioksidista.

Litium-CO2-akkujen aikajana

CO5-akkujen valmistuminen kuluttajille voi kestää noin viisi vuotta. Teknologia on olemassa, mutta tiimin on vielä löydettävä paras tapa tuoda keksintönsä markkinoille. Erityisesti kasvava kysyntä hiilineutraaliusvelvoitteiden täyttämiseksi voisi nopeuttaa tätä aikataulua ja auttaa tekemään litium-CO2-vaihtoehtojen integroinnista prioriteetin.

Litium-CO2-akkujen tutkijat

Litium-CO2-akkuja koskevan tutkimuksen isännöivät Surreyn kemian ja kemiantekniikan tiedekunta sekä Advanced Technology Institute. Läpimurtoartikkelissa tutkimuksen yhteiskirjoittajiksi mainitaan Siddharth Gadkari ja Daniel Commandeur. He saivat tukea Mahsa Masoudilta, Neubi F. Xavier Jr:ltä, James Wrightilta, Thomas M Rosevearelta, Steven Hinderilta, Vlad Stolojanilta, Qiong Caiilta ja Robert CT Sladelta.

Litium-CO2-akkujen tulevaisuus

Tiimi pyrkii perehtymään syvällisemmin muihin materiaaleihin ja siihen, miten nämä katalyytit vuorovaikuttavat elektrodien ja elektrolyyttien kanssa. He haluavat myös tutkia lisää Keggin-tyyppistä polyoksometalaattia bifunktionaalisena redox-katalyyttinä. Nämä vaiheet voisivat auttaa parantamaan niiden suunnittelun tärkeitä osa-alueita, mukaan lukien ladattavien Li-CO2-akkujen palautuvaa kiertoa.

Investoinnit akkusektoriin

Akkumarkkinoilla toimii useita yrityksiä. Nämä yritykset kattavat valikoiman tunnetuista ensimmäisen tason valmistajista edullisiin vaihtoehtoihin ja jopa kopiotuotteisiin. Laadukkaiden akkujen kysyntä on edelleen korkealla. Tässä on yksi akkuvalmistaja, jolla on edelleen menestystä odottavat edellytykset ja joka voisi tulevaisuudessa integroida litium-CO1-akkuja tuotteisiinsa.

Solid Power

Solid Power (SLDP ) tuli markkinoille vuonna 2011 ja sen pääkonttori sijaitsee Coloradossa. Yrityksen tavoitteena on luoda tehokkaita puolijohdeakkuvaihtoehtoja. Lanseerauksestaan ​​lähtien Solid Power on saanut huomattavaa tukea ja kasvua markkinoilla. Kasvu johtuu pääasiassa sen innovatiivisesta hengestä ja ainutlaatuisista tuotteista, jotka korvaavat nestemäiset elektrolyytit sulfidipohjaisilla kiinteillä vaihtoehdoilla. Tämä lähestymistapa vähensi tulipalon tai lämpöpurkausten riskiä.

Solid Powerilla on useita strategisia kumppanuuksia sähköautovalmistajien kanssa. Näiden kumppanuuksien tarkoituksena on edistää innovaatioita ja auttaa markkinoita löytämään turvallisemman ja tehokkaamman vaihtoehdon. Nykyään yrityksellä on sopimuksia useiden valmistajien kanssa eri toimialoilla, mukaan lukien lääketieteen ja teollisuuden sektorit.

Niiden, jotka haluavat hankkia vakaan ja kasvupotentiaalisen akkuosakkeen, kannattaa harkita SLDP:n tutkimista tarkemmin. Yhtiön kumppanuudet ja tuotteet ovat innoissaan monista analyytikoista. Lisäksi sen palveluille on kasvavaa kysyntää, mikä voi korreloida osakkeen arvonnousuun tulevina viikkoina.

Viimeisimmät Solid Powerin (SLDP) osakeuutiset ja kehitys

Litium-CO2-akut – Puhdasta energiaa mukaan

Litium-CO2-akut voisivat auttaa insinöörejä lopettamaan litiumioniakkujen lämpöpurkausten aiheuttamat tulipaloriskit ja vahingot. Näitä yksiköitä on kaikkialla, ja niiden korvaaminen turvallisemmalla ja tehokkaammalla vaihtoehdolla voisi auttaa suurta osaa väestöstä. Tämän seurauksena valmistajat ja insinöörit jatkavat ajan, rahan ja vaivan panostamista nykypäivän akkujen parantamiseen. Onneksi tämä uusin tuote maksimoi heidän ponnistelunsa puhtaan energian tuotannon ohella.

Opi muista hienoista energiakehityksistä nyt.

Viittaustutkimukset:

^{1. Masoudi, M., Xavier Jr, NF, Wright, J., Roseveare, TM, Hinder, S., Stolojan, V., Cai, Q., Slade, RCT, Commandeur, D., & Gadkari, S. (2025). Cesiumfosfomolybdaatti tehokkaana redox-katalyyttinä mahdollistaa erittäin matalan ylipotentiaalin ladattavissa Li-CO₂-akuissaEdistynyt tiede, 12(17), 2502553. https://doi.org/10.1002/advs.202502553}