Doorbraak in lithium-CO₂-batterij legt koolstof vast tijdens de stroomvoorziening van apparaten

Ingenieurs van de Universiteit van Surrey hebben een lithium-CO2-batterij geïntroduceerd die kooldioxide uit de lucht haalt als onderdeel van de normale werking. Het verbeterde batterijontwerp heeft de potentie om zijn voorgangers te overtreffen en tegelijkertijd vervuiling en klimaatverandering te bestrijden. Dit is wat u moet weten.

Waarom lithium-ionbatterijen tekortschieten in groene energie

De toekomst is draadloos en fabrikanten begrijpen dat er vraag is naar schone batterijoplossingen. De meest gebruikte batterijen zijn tegenwoordig lithium-ionbatterijen. Deze batterijen zijn te vinden in alledaagse apparaten, zoals je mobiele telefoon, elektrische auto en smartwatch. Lithium-ionbatterijen bieden een goede dichtheid, laadcycli en zijn betaalbaar. Ze zijn echter niet duurzaam en vormen wereldwijd nog steeds een belangrijke vervuiler op stortplaatsen.

Belangrijkste uitdagingen van lithium-ionbatterijen: veiligheid, kosten en afval

Er zijn verschillende problemen met lithium-ionbatterijen die hun effectiviteit en efficiëntie beperken. Ten eerste vereisen ze het gebruik van dure, zeldzame aardmetalen. Grondstoffen zoals platina zijn moeilijk te verkrijgen en verhogen de kosten van het productieproces aanzienlijk. Bovendien is de vraag naar zeldzame aardmetalen een veiligheidsrisico geworden voor landen die nu willen zorgen voor een ruime voorraad van deze essentiële materialen.

Lithium-ionbatterijen hebben ook last van een korte levensduur. Het ontwerp van deze batterij levert bij elke laadcyclus een verlies op. Daardoor verminderen de prestaties van lithium-ionbatterijen bij elke laadcyclus. Bovendien zijn ze erg duur om af te voeren en kunnen ze een veiligheidsrisico vormen bij onjuist opladen of bij thermische runaway.

Thermische runaway verwijst naar oververhitting van lithium-ionbatterijcellen, waardoor omliggende cellen hetzelfde doen. Het resultaat is een enorme meltdown die brand of zelfs explosies kan veroorzaken. De schade die tijdens deze gebeurtenissen is aangericht, is goed gedocumenteerd. Een simpele zoekopdracht brengt een lange geschiedenis van branden in lithium-ionbatterijen wereldwijd aan het licht.

Over potentieel

Een andere zorg voor gebruikers van lithium-ionbatterijen is overpotentiaal. Deze term verwijst naar de hoeveelheid energie die nodig is om een ​​chemische reactie op gang te brengen en de batterij op te laden. Lithium-ionsystemen hebben last van een hoog overpotentiaal. Daar komt echter verandering in dankzij een aantal vindingrijke wetenschappers.

Wat zijn lithium-CO₂-batterijen en hoe werken ze?

Lithium-CO2-batterijen zijn een veelbelovend alternatief gebleken. Deze oplaadbare batterijen gebruiken CO2-gas als energiedrager. Deze structuur biedt een aantal belangrijke voordelen, zoals verbeterde prestaties, een hogere capaciteit en een schonere luchtkwaliteit. Daarom geloven velen dat lithium-CO2-batterijen de beste stap zijn om in de toekomst netto nul COXNUMX-uitstoot te bereiken.

Nadelen van huidige lithium-CO2-batterijen

Een van de grootste nadelen van het gebruik van Li-CO2-batterijen is momenteel het gebrek aan betrouwbare en goedkope katalysatoren. Ingenieurs hebben dit feit erkend en een nieuwe versie ontwikkeld die recente ontwikkelingen in materiaalkunde en computermodellering combineert. De nieuwe aanpak belooft twee problemen tegelijk aan te pakken: energieverbruik en luchtkwaliteit.

Baanbrekende lithium-CO₂-batterijstudie van de Universiteit van Surrey

De studie¹'Ultralage overpotentiaal in oplaadbare Li-CO2-batterijen mogelijk gemaakt door cesiumfosfomolybdaat als effectieve redoxkatalysator, gepubliceerd in Advanced Science, gaat dieper in op "ademhaling”batterijen. Deze apparaten gebruiken CO2 om te interageren met een speciaal gebouwde katalysator, waardoor een schone energiekringloop ontstaat.

Lithium-CO2-batterijen ontmanteld

Als onderdeel van hun proces ontwikkelden de ingenieurs verschillende Li-CO2-batterijen met verschillende katalysatoren. Vervolgens ondergingen ze duizenden laadcycli, wat overeenkomt met jaren dagelijks gebruik. Na de laadcyclus ontmantelden ze de batterijen om een ​​beter inzicht te krijgen in de degradatie, ophoping en andere prestatiebeperkende factoren. Het team merkte met name op dat er lithiumcarbonaatafzettingen ontstonden en dat deze eenvoudig konden worden verwijderd, zodat de batterij zijn laadcyclus kon verbeteren.

Bron - Surrey School of Chemistry and Chemical Engineering en het Advanced Technology Institute

Computermodel voor lithium-CO2-batterijen

De onderzoekers gebruikten de gegevens die ze uit hun experimenten verkregen om een ​​nauwkeurig computermodel te creëren. Het model maakt gebruik van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) om cruciale details en veranderingen te voorspellen. Het model verbeterde de mogelijkheden van het team om gedachte-experimenten uit te voeren en hielp het team de totale kosten te verlagen en tegelijkertijd hun tests uit te breiden. Het doel was om het model te gebruiken om het beste materiaal te vinden voor een stabiele poreuze structuur die de chemische reacties kan ondersteunen die lithiumbatterijen laten werken.

Cesiumfosfomolybdaat (CPM)

Na wat testen stelden de ingenieurs vast dat cesiumfosfomolybdaat (Cs3PMo12O40, CPM) een veelbelovende optie was. De ingenieurs pasten de CPM toe als katalysator in Li‒CO₂-batterijen en voerden vervolgens verschillende tests uit. Om de CPM te creëren, synthetiseerden de ingenieurs de katalysatoren en coatten ze een kathode.

Het materiaal bleek ideaal omdat het veel elektroactieve locaties had en een met zuurstof verrijkt oppervlak. Bovendien heeft het composiet een unieke mesoporeuze morfologie die bijdraagt ​​aan de duurzaamheid en prestaties tijdens laadcycli. Dit betekent dat deze batterijen minder energie verbruiken om op te laden dan hun voorgangers.

Deze CPM-porie is ideaal omdat deze de efficiënte diffusie van CO2-moleculen en Li+-ionen naar de actieve plaatsen ondersteunt. Daarnaast vervullen de poriën nog een andere functie: ze verwerken ontladingsproducten. Opvallend is dat de kristalstructuren slechts 140 nm groot zijn.

Poederröntgendiffractie (PXRD)

De ingenieurs beoordeelden de kristalroosterstructuur en samenstelling van de gesynthetiseerde CPM-katalysator met behulp van een poederröntgendiffractiemethode. Deze tool focust röntgenstralen op de structuur en analyseert het diffractiepatroon.

Fourier-transformatie-infrarood (FTIR)

De volgende stap was om te bepalen welke energie door de processen werd geabsorbeerd of uitgezonden. De ingenieurs gebruikten hiervoor Fourier Transform Infrared-spectroscopie. Het team merkte de aanwezigheid van de keggindeeltjes op tijdens het proces, wat overeenkwam met hun voorspellingen in het computermodel.

Keggin-eenheden

Het team heeft veel moeite gedaan om te bepalen of hun creatie Keggin-units in het oppervlak had geïntegreerd. Keggin-units verwijzen naar een kristallijn raamwerk dat bekendstaat om zijn robuustheid en structurele stabiliteit. Het is de ideale opstelling voor batterijen omdat het zijn structuur behoudt tijdens het cyclusproces.

Röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS)

Het team gebruikte röntgenfoto-elektronenspectroscopie om een ​​beter inzicht te krijgen in de chemische toestand van de katalysator tijdens en na het proces. Ze bepaalden nauwkeurig de elementaire samenstelling van het oppervlak en pasten deze aan om de prestaties en levensduur van de batterij te optimaliseren.

Thermogravimetrie (TG)

De volgende stap was om te bepalen of er vocht in het systeem kwam of als bijproduct werd geproduceerd. De onderzoekers gebruikten thermogravimetrie om het watergehalte van het CPM-composiet te bepalen. De test toonde aan dat het nieuwe ontwerp de ontwikkeling van batterijen met hoge dichtheid zou kunnen ondersteunen.

Test voor lithium-CO2-batterijen

Een reeks laboratoriumexperimenten hielp de ingenieurs hun voorspellingen te controleren. Het team voerde zowel fysieke als computersimulaties uit om het elektrokatalytische vermogen van de CPM-katalysator te evalueren en zo de CRR/CER-kinetiek te verbeteren. Ze stelden vast dat de structuur ervan enkele unieke eigenschappen had die hem ideaal maakten voor gebruik als katalysator.

Testresultaten voor lithium-CO2-batterijen

De testresultaten waren verbijsterend. De nieuwe batterijstructuur functioneerde feilloos. Het team voerde 100 cycli uit bij 50 mA g−1 met een capaciteitslimiet van 500 mAh g−1. Ze merkten op dat het apparaat meer energie kon opslaan en gemakkelijker op te laden was dan traditionele lithium-ionbatterijen. Indrukwekkend was dat de verbeterde batterijen een uitstekende ontlaadcapaciteit van 15440 mAh g−1 bij 50 mA g−1 vertoonden met een coulombische efficiëntie van 97.3%. Bovendien leverde de katalysator een lage overpotentiaal van 0.67 V.

Deze gegevens toonden aan dat het nieuwe ontwerp veel effectiever was dan de traditionele katalysator. Het biedt met name een hogere ontlaad-laadcapaciteit en lagere overpotentiaal. Bovendien ondersteunt het Li-CO2-batterijontwerp een lange stabiliteit van 107 cycli bij 50 mA g−1 met een beperkte capaciteit van 500 mAh g−1.

Belangrijkste voordelen van lithium-CO₂-batterijen voor schone energie

Lithium-CO2-batterijen brengen veel voordelen met zich mee. Zo bieden ze gebruikers een schoon alternatief voor lithium-ionbatterijen, die nog steeds op de afvalberg belanden. Deze nieuwe aanpak vermindert tegelijkertijd de afval- en broeikasgasemissies, wat de batterij-industrie de mogelijkheid biedt om grondig te upgraden en tegelijkertijd de vervuiling te verminderen.

Hogere capaciteit

Het rapport toont aan dat lithium-CO2-batterijen een hogere capaciteit kunnen bieden dan hun voorgangers. Bovendien hebben ze een veel lagere overpotentiaal, wat betekent dat ze veel minder energie verbruiken om op te laden. De minder intensieve laadmethode verlengt de levensduur van de batterij zonder de prestaties te verminderen.

Lithium-CO2-batterijen zijn betaalbaarder.

Een andere reden waarom batterijfabrikanten en consumenten een plotselinge toestroom van lithium-CO2-opties zouden kunnen zien, is dat ze een goedkoper productieproces bieden. Wanneer je de lagere productiekosten combineert met de lagere emissies, lijkt het lithium-CO2-alternatief een praktische manier om schone energie op te slaan.

Lithium-CO2-batterijen zijn schaalbaarder

De onderzoekers zorgden ervoor dat hun werk kon worden opgeschaald om aan de behoeften van de gemeenschap te voldoen. Er is een enorme vraag naar schone energiebronnen voor draagbare apparaten. De ingenieurs zien deze batterijontwikkeling als een kostenbesparende upgrade met als bijkomend voordeel dat het CO2, een schadelijk broeikasgas, vasthoudt.

Lithium-CO2-batterijen zijn efficiënter.

Efficiëntie is een ander voordeel van lithium-CO2-batterijen ten opzichte van andere batterijoplossingen. Deze voedingen van de volgende generatie kunnen efficiënt werken in een breed scala aan toepassingen. De units bieden meer energiecapaciteit en kunnen worden opgeschaald om ervoor te zorgen dat ze perfect aansluiten op de toepassing.

Geen zeldzame aardmetalen

Zeldzame aardmetalen zijn een schaarse hulpbron die steeds waardevoller wordt. Er zijn al aanzienlijke invoerrechten en andere wetgeving van kracht om de toegang van de supermachten tot zeldzame aardmetalen te beschermen. De beslissing van de ingenieur om de noodzaak van deze mineralen in hun batterijontwerp te elimineren, zou een van de belangrijkste redenen kunnen zijn voor het succes van deze technologie.

Toepassingen van lithium-CO₂-batterijen in de praktijk en wanneer u deze kunt verwachten

Er zijn talloze toepassingen voor groenere batterijen. De wereld heeft behoefte aan schone alternatieven die het groeiende aantal draadloze systemen dat dagelijks wordt gebruikt, van stroom kunnen voorzien. Lithium-CO2 zou in de toekomst uw huis, auto en apparaten van stroom kunnen voorzien en tegelijkertijd kunnen bijdragen aan de vermindering van schadelijke broeikasgassen.

Ruimtereis

Ruimtevaart is een andere toepassing voor deze technologie. Terwijl wetenschappers blijven nadenken over manieren om de verkenning van de diepe ruimte en andere planeten te ondersteunen, moeten er nieuwe energiebronnen worden onderzocht. Deze nieuwste ontwikkeling heeft een aantal belangrijke voordelen, zoals de mogelijkheid om te werken op verre planeten zoals Mars, omdat de atmosfeer voor 95% uit CO₂ bestaat.

Tijdlijn voor lithium-CO2-batterijen

Het zou zo'n 5 jaar kunnen duren voordat CO2-batterijen hun weg naar de consument vinden. De technologie is er, maar het team moet nog steeds de beste aanpak vinden om hun uitvinding op de markt te brengen. Met name de groeiende vraag naar netto-nul CO2-emissieverplichtingen zou deze tijdlijn kunnen versnellen en de integratie van lithium-COXNUMX-opties tot een prioriteit kunnen maken.

Onderzoekers naar lithium-CO2-batterijen

De studie naar lithium-CO2-batterijen werd uitgevoerd door de School of Chemistry and Chemical Engineering van Surrey en het Advanced Technology Institute. In het baanbrekende artikel worden Siddharth Gadkari en Daniel Commandeur genoemd als coauteurs van de studie. Zij kregen ondersteuning van Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr., James Wright, Thomas M. Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai en Robert CT Slade.

Toekomst van lithium-CO2-batterijen

Het team wil zich verder verdiepen in andere materialen en hoe deze katalysatoren interacteren met elektroden en elektrolyten. Ze willen ook Keggin-type polyoxometalaat verder onderzoeken als bifunctionele redoxkatalysator. Deze stappen zouden belangrijke aspecten van hun ontwerp kunnen verbeteren, waaronder de omkeerbare cyclus van oplaadbare Li-CO2-batterijen.

Investeren in de batterijsector

Er zijn verschillende bedrijven actief op de batterijmarkt. Deze bedrijven variëren van bekende tier 1-fabrikanten tot goedkope alternatieven en zelfs namaak. De vraag naar kwaliteitsbatterijen blijft hoog. Hier is één batterijfabrikant die nog steeds succesvol is en in de toekomst lithium-CO2-batterijen in zijn producten zou kunnen integreren.

Solid Power

Solid Power (SLDP ) De onderneming betrad de markt in 2011 en heeft haar hoofdkantoor in Colorado. Het doel van het bedrijf is om hoogwaardige alternatieven voor solid-state batterijen te ontwikkelen. Sinds de lancering heeft Solid Power aanzienlijke steun en groei in de markt gezien. Deze groei is voornamelijk te danken aan de innovatieve geest en de unieke producten die vloeibare elektrolyten vervangen door vaste sulfide-varianten. Deze aanpak verminderde het risico op brand of thermische runaway.

Solid Power heeft verschillende strategische partnerschappen met fabrikanten van elektrische voertuigen. Deze partnerschappen zijn ontworpen om innovatie te stimuleren en de markt te helpen een veiliger en efficiënter alternatief te vinden. Het bedrijf heeft momenteel overeenkomsten met diverse fabrikanten uit diverse sectoren, waaronder de medische sector en de maakindustrie.

Wie op zoek is naar een solide batterijaandeel met groeipotentieel, doet er goed aan om meer onderzoek te doen naar SLDP. De partnerschappen en producten van het bedrijf wekken bij veel analisten enthousiasme. Bovendien is er een groeiende vraag naar de diensten, wat de komende weken kan leiden tot een hogere aandelenwaarde.

Laatste nieuws en ontwikkelingen over Solid Power (SLDP) aandelen

Lithium-CO2-batterijen – Schone energie voor onderweg

Lithium-CO2-batterijen zouden ingenieurs kunnen helpen een einde te maken aan de brandgevaren en schade die worden veroorzaakt door de thermische ontlading van lithium-ionbatterijen. Deze batterijen zijn alomtegenwoordig en vervanging ervan door een veiliger en efficiënter alternatief zou een groot deel van de bevolking kunnen helpen. Fabrikanten en ingenieurs blijven daarom tijd, geld en moeite steken in het verbeteren van de huidige batterijen. Gelukkig maximaliseert dit nieuwste product hun inspanningen naast de productie van schone energie.

Leer meer over andere coole energieontwikkelingen nu.

Geraadpleegde studies:

^{1. Masoudi, M., Xavier Jr, NF, Wright, J., Roseveare, TM, Hinder, S., Stolojan, V., Cai, Q., Slade, RCT, Commandeur, D., & Gadkari, S. (2025). Ultralage overpotentiaal in oplaadbare Li-CO₂-batterijen mogelijk gemaakt door cesiumfosfomolybdaat als effectieve redoxkatalysator. Geavanceerde wetenschap, 12(17), 2502553. https://doi.org/10.1002/advs.202502553}