Gjennombrudd innen litium-CO₂-batterier fanger opp karbon mens de driver enheter

Ingeniører ved University of Surrey har introdusert et litium-CO2-batteri som fjerner karbondioksid fra luften som en del av normal drift. Det oppgraderte batteridesignet har potensial til å overgå forgjengerne samtidig som det bidrar til å bekjempe forurensning og klimaendringer. Her er hva du trenger å vite.

Hvorfor litiumionbatterier ikke klarer seg med grønn energi

Fremtiden er trådløs, og produsenter forstår at det er etterspørsel etter rene batteriløsninger. De vanligste batteriene som brukes i dag er litiumion-alternativer. Disse batteriene finnes i hverdagsenheter, som mobiltelefoner, elbiler og smartklokker. Litiumion-batterier tilbyr anstendig tetthet, ladesykluser og er rimelige. De er imidlertid ikke bærekraftige og forblir et stort forurensende stoff på søppelfyllinger globalt.

Viktige utfordringer med litiumionbatterier: Sikkerhet, kostnader og avfall

Det er flere problemer med litiumionbatterier som har begrenset effektiviteten og virkningsgraden deres. For det første krever de bruk av dyre, sjeldne jordartsmetaller. Ressurser som platina er vanskelige å finne og øker kostnadene for produksjonsprosessen betraktelig. I tillegg har etterspørselen etter sjeldne jordartsmineraler blitt en sikkerhetsbekymring for nasjoner som nå ønsker å sikre seg dype forsyninger av disse viktige varene.

Litiumionbatterier har også dårlig levetid. Utformingen av dette batteriet medfører noe tap for hver ladesyklus. Som sådan reduserer litiumionbatterier ytelsen for hver syklus. I tillegg er de svært dyre å kvitte seg med og kan bli en sikkerhetsfare hvis de lades feil eller hvis det oppstår termisk runaway.

Termisk runaway refererer til overoppheting av litiumionbattericeller, noe som fører til at omkringliggende celler gjør det samme. Resultatet er en massiv nedsmelting som kan starte branner eller til og med eksplosjoner. Skadene som oppstår under disse hendelsene er godt dokumentert. Et enkelt søk vil fremheve en lang historie med branner i litiumionbatterier over hele verden.

Overpotensial

En annen bekymring for brukere av litiumionbatterier er overpotensial. Dette begrepet refererer til mengden energi som brukes til å starte en kjemisk reaksjon og lade batteriet. Litiumionsystemer lider av høyt overpotensial. Men alt dette er i ferd med å endre seg takket være noen oppfinnsomme forskere.

Hva er litium-CO₂-batterier, og hvordan fungerer de?

Litium-CO2-batterier har dukket opp som et spennende alternativ. Disse oppladbare batteriene bruker CO2-gass som energibærer. Denne strukturen gir noen store fordeler som forbedret ytelse, høyere kapasitet og renere luftkvalitet. Derfor mener mange at litium-CO2-batterier er det beste steget for å oppnå netto null karbonutslipp i fremtiden.

Ulemper med nåværende litium-CO2-batterier

En av de største ulempene med å bruke Li-CO2-batterier for tiden er mangelen på pålitelige og rimelige katalysatorer. Ingeniører har erkjent dette og laget en ny versjon som integrerer nye fremskritt innen materialvitenskap og datamodellering. Den nye tilnærmingen lover å takle to problemer samtidig: energiforbruk og luftkvalitet.

University of Surreys banebrytende studie av litium-CO₂-batterier

Studien¹, "Ultralavt overpotensial i oppladbare Li-CO2-batterier muliggjort av cesiumfosfomolybdat som en effektiv redokskatalysator, publisert i Advanced Science, fordyper seg i «puste"batterier. Disse enhetene bruker CO2 til å samhandle med en spesialbygd katalysator, og skaper dermed en ren energisløyfe.

Demonterte litium-CO2-batterier

Som en del av prosessen laget ingeniørene flere Li-CO2-batterier med forskjellige katalysatorer. Deretter ladet de batteriene gjennom tusenvis av ladesykluser, som representerer år med daglig bruk. Deretter demonterte de enhetene etter syklusperioden for å få en dypere forståelse av hva som skjedde når det gjaldt nedbrytning, oppbygging og andre ytelsesbegrensende faktorer. Det er verdt å merke seg at teamet la merke til at det ville dannes litiumkarbonatavleiringer, og at disse lett kunne fjernes for å forbedre batteriets ladesyklus.

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

Litium-CO2-batterier Datamaskinmodell

Forskerne brukte dataene de innhentet fra eksperimentene sine til å lage en nøyaktig datamodell. Modellen bruker tetthetsfunksjonalteori (DFT) for å forutsi kritiske detaljer og endringer. Modellen forbedret teamets evne til å utføre tankeeksperimenter og hjalp teamet med å redusere de totale kostnadene samtidig som de utvidet testingen. Målet var å bruke modellen til å finne det beste materialet for å lage en stabil porøs struktur som kunne støtte de kjemiske reaksjonene som får litiumbatterier til å fungere.

Cesiumfosfomolybdat (CPM)

Etter litt testing bestemte ingeniørene seg for at cesiumfosfomolybdat (Cs3PMo12O40, CPM) var et lovende alternativ. Ingeniørene brukte CPM som katalysator i Li‒CO2-batterier og utførte deretter flere tester. For å lage CPM syntetiserte ingeniørene katalysatorene og belagte en katode.

Materialet viste seg å være ideelt fordi det hadde mange elektroaktive steder og en oksygenberiket overflate. Kompositten har også en unik mesoporøs morfologi som øker holdbarheten og ytelsen under ladesykluser, noe som betyr at disse batteriene bruker mindre energi på lading sammenlignet med forgjengerne.

Denne CPM-poren er ideell fordi den støtter effektiv diffusjon av CO2-molekyler og Li+-ioner til de aktive områdene. I tillegg har porene en annen rolle, og de gir plass til utladningsprodukter. Det er verdt å merke seg at de krystallinske strukturene bare måler 140 nm i størrelse.

Pulverrøntgendiffraksjon (PXRD)

Ingeniørene gjennomgikk krystallgitterstrukturen og sammensetningen til den syntetiserte CPM-katalysatoren ved hjelp av en pulverrøntgendiffraksjonsmetode. Dette verktøyet fungerer ved å fokusere røntgenstråler på strukturen og analysere diffraksjonsmønsteret.

Fourier-transform infrarød (FTIR)

Neste trinn var å bestemme hvilken energi som ble absorbert eller avgitt på grunn av prosessene. Ingeniørene brukte Fourier Transform Infrared-spektroskopi for å utføre dette trinnet. Teamet noterte tilstedeværelsen av keggin-partiklene under prosessen, noe som var i tråd med deres beregningsmodellforutsigelser.

Keggin-enheter

Teamet brukte mye arbeid på å finne ut om kreasjonen deres hadde keggin-enheter integrert i overflaten. Keggin-enheter refererer til et krystallinsk rammeverk som er kjent for sin robusthet og strukturelle stabilitet. Det er det ideelle oppsettet for batterier fordi det beholder strukturen sin gjennom syklusprosessen.

Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS)

Teamet brukte røntgenfotoelektronspektroskopi for å få en dypere forståelse av katalysatorens kjemiske tilstand under og etter prosessen. De bestemte overflatens elementære sammensetning nøyaktig og justerte den for å optimalisere batteriets ytelse og levetid.

Termogravimetri (TG)

Neste trinn var å avgjøre om det kom fuktighet inn i systemet eller ble produsert som et biprodukt. Forskerne brukte termogravimetri for å vurdere vanninnholdet i CPM-kompositten. Testen viste at den nye designen kunne støtte utvikling av batterier med høy tetthet.

Test av litium-CO2-batterier

En rekke laboratorieeksperimenter hjalp ingeniørene med å dobbeltsjekke spådommene sine. Teamet kjørte både fysiske og datasimuleringer for å evaluere den elektrokatalytiske evnen til CPM-katalysatoren til å forbedre CRR/CER-kinetikken. De fant ut at strukturen hadde noen unike egenskaper som gjør den ideell for bruk som katalysator.

Testresultater for litium-CO2-batterier

Testresultatene var oppsiktsvekkende. Den nye batteristrukturen fungerte uten feil. Teamet utførte 100 sykluser ved 50 mA g−1 med en kapasitetsbegrensning på 500 mAh g−1. De bemerket at enheten kunne lagre mer energi og var enklere å lade enn tradisjonelle litiumion-alternativer. Imponerende nok viste de oppgraderte batteriene en utmerket utladningskapasitet på 15440 mAh g−1 ved 50 mA g−1 med 97.3 % coulombisk virkningsgrad. I tillegg leverte katalysatoren et lavt overpotensial på 0.67 V.

Disse dataene viste at den nye designen var langt mer effektiv enn den tradisjonelle katalysatoren. Mer spesifikt tilbyr den høyere utladnings- og ladekapasitet og lavere overpotensial i batterier. Li-CO2-batteridesignet støtter også en lang stabilitet på 107 sykluser ved 50 mA g−1 med en begrenset kapasitet på 500 mAh g−1.

De viktigste fordelene med litium-CO₂-batterier for ren energi

Det er mange fordeler med litium-CO2-batterier på markedet. For det første tilbyr de brukerne et rent alternativ til litium-ion-batterier, som fortsatt fyller søppelfyllinger. Denne nye tilnærmingen reduserer avfall og klimagassutslipp samtidig, og åpner døren for batteriindustrien til å gjøre betydelige oppgraderinger samtidig som den reduserer forurensning.

Høyere kapasitet

Rapporten viser at litium-CO2-batterier kan gi høyere kapasitet enn forgjengerne. I tillegg har de et mye lavere overpotensial, noe som betyr at de bruker langt mindre energi på lading. Den mindre intense lademetoden forlenger batteriets levetid uten å redusere ytelsen.

Litium-CO2-batterier er rimeligere.

En annen grunn til at batteriprodusenter og forbrukere kan oppleve en plutselig tilstrømning av litium-CO2-alternativer, er at de gir en rimeligere produksjonsprosess. Når man kombinerer de reduserte produksjonskostnadene med lavere utslipp, virker litium-CO2-alternativet som en praktisk måte å lagre ren energi på.

Litium-CO2-batterier er mer skalerbare

Forskerne sørget for at arbeidet deres kunne skaleres for å møte samfunnets behov. Det er en enorm etterspørsel etter rene energialternativer for å drive bærbare enheter. Ingeniørene ser denne batteriutviklingen som en kostnadsbesparende oppgradering som har den ekstra fordelen at den fanger CO2, en skadelig klimagass.

Litium-CO2-batterier er mer effektive.

Effektivitet er en annen fordel med litium-CO2-batterier sammenlignet med andre batteriløsninger. Disse neste generasjons strømforsyningene vil kunne fungere effektivt på tvers av et bredt spekter av bruksområder. Enhetene tilbyr mer energikapasitet og kan skaleres opp for å sikre at de passer til applikasjonen.

Ingen sjeldne jordmetaller

Sjeldne jordmetaller er en begrenset ressurs som fortsetter å se økende verdi. Det finnes allerede store tollsatser og annen lovgivning på plass for å forsøke å beskytte tilgangen til sjeldne jordmetaller for verdens supermakter. Ingeniørens beslutning om å eliminere behovet for disse mineralene i batteridesignet sitt kan være en av hovedgrunnene til at denne teknologien lykkes.

Virkelige bruksområder for litium-CO₂-batterier og når du kan forvente dem

Det finnes mange bruksområder for grønnere batterier. Verden trenger rene alternativer som kan drive det økende antallet trådløse systemer som brukes daglig. Litium-CO2 kan en dag drive hjemmet, bilen og enhetene dine, samtidig som det bidrar til å redusere skadelige klimagasser.

Romfart

Romfart er en annen anvendelse for denne teknologien. Etter hvert som forskere fortsetter å tenke på måter å støtte utforskning av verdensrommet og andre verdener, må nye energialternativer forskes på. Denne siste utviklingen har noen viktige fordeler ved at den kan operere på fjerne planeter som Mars fordi atmosfæren består av 95 % CO₂.

Tidslinje for litium-CO2-batterier

Det kan ta rundt +5 år før CO2-batterier finner veien til forbrukerne. Teknologien er der, men teamet må fortsatt finne ut den beste tilnærmingen for å bringe oppfinnelsen sin ut på markedet. Spesielt den økende etterspørselen etter å oppfylle forpliktelser om netto null karbonutslipp kan forlenge denne tidslinjen og bidra til å prioritere integrering av litium-CO2-alternativer.

Forskere på litium-CO2-batterier

Studien av litium-CO2-batterier ble arrangert av Surreys School of Chemistry and Chemical Engineering og Advanced Technology Institute. Den banebrytende artikkelen oppgir Siddharth Gadkari og Daniel Commandeur som medforfattere av studien. De fikk 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 litium-CO2-batterier

Teamet ønsker å fordype seg i andre materialer og hvordan disse katalysatorene samhandler med elektroder og elektrolytter. De ønsker også å utforske Keggin-type polyoksometalat videre som en bifunksjonell redokskatalysator. Disse trinnene kan bidra til å forbedre viktige aspekter ved designet deres, inkludert reversibel sykling av oppladbare Li-CO2-batterier.

Investering i batterisektoren

Det er flere selskaper involvert i batterimarkedet. Disse firmaene spenner fra kjente produsenter i toppklassen til rimelige alternativer og til og med kopier. Etterspørselen etter kvalitetsbatterier er fortsatt høy. Her er én batteriprodusent som fortsatt er posisjonert for suksess og kan integrere litium-CO1-batterier i produktene sine i fremtiden.

Solid kraft

Solid kraft (SLDP ) kom på markedet i 2011 og har hovedkontor i Colorado. Selskapets mål er å lage høytytende alternativer til solid-state-batterier. Siden lanseringen har Solid Power opplevd betydelig støtte og vekst i markedet. Denne veksten skyldes hovedsakelig deres innovative ånd og unike produkter som bytter ut flytende elektrolytter med sulfidbaserte alternativer. Denne tilnærmingen reduserte risikoen for brann eller termisk runaway.

Solid Power har flere strategiske partnerskap med elbilprodusenter. Disse partnerskapene er utformet for å drive innovasjon og hjelpe markedet med å finne et tryggere og mer effektivt alternativ. I dag har selskapet avtaler med en rekke produsenter fra ulike bransjer, inkludert medisin- og produksjonssektoren.

De som ønsker å få tak i en solid batteriaksje med vekstpotensial, bør vurdere å gjøre mer research på SLDP. Selskapets partnerskap og produkter har gjort mange analytikere begeistret. I tillegg er det økende etterspørsel etter tjenestene deres, noe som kan korrelere med økt aksjeverdi i de kommende ukene.

Siste nytt og utvikling for Solid Power (SLDP)-aksjen

Litium-CO2-batterier – ren energi for å reise

Litium-CO2-batterier kan hjelpe ingeniører med å stoppe brannfarene og skadene forårsaket av termisk løp fra litium-ion-batterier. Disse enhetene finnes overalt, og å erstatte dem med et tryggere og mer effektivt alternativ kan hjelpe en stor del av befolkningen. Følgelig fortsetter produsenter og ingeniører å bruke tid, penger og krefter på å forbedre dagens batterier. Heldigvis maksimerer dette nyeste produktet innsatsen deres sammen med ren energiproduksjon.

Lær om andre kule energiutviklinger nå.

Referert til studier:

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