Banebrytende litium‑CO₂‑batteri fanger karbon mens det driver enheter

University of Surrey engineers have introduced a Lithium-CO2 battery that removes carbon dioxide from the air as part of its normal operation. The upgraded battery design has the potential to outperform its predecessors while helping to combat pollution and climate change. Here’s what you need to know.

Hvorfor litium‑ion‑batterier ikke holder mål i grønn energi

Fremtiden er trådløs, og produsenter forstår at det er en etterspørsel etter rene batteriløsninger. De mest vanlige batteriene i dag er litium‑ion‑alternativer. Disse batteriene finnes i hverdagslige enheter, som mobiltelefonen din, el‑bil og smartklokke. Litium‑ion‑batterier gir anstendig energitetthet, lade‑sykluser og er rimelige. Likevel er de ikke bærekraftige og forblir en stor forurensningskilde på søppelfyllinger verden over.

Viktige utfordringer med litium‑ion‑batterier: sikkerhet, kostnad og avfall

Det er flere problemer med litium‑ion‑batterier som har begrenset deres effektivitet og ytelse. For det første krever de bruk av dyre, sjeldne jord‑materialer. Ressurser som platina er vanskelige å skaffe og øker produksjonskostnadene betydelig. I tillegg har etterspørselen etter sjeldne jordmineraler blitt en sikkerhetsbekymring for nasjoner som nå søker å sikre dype lagre av disse essensielle materialene.

Litium‑ion‑batterier lider også av dårlig sykluseliv. Designet på dette batteriet medfører et visst tap for hver lade‑syklus. Som følge av dette reduseres ytelsen til litium‑ion‑batterier med hver syklus. I tillegg er de svært kostbare å avhende og kan bli en sikkerhetsrisiko dersom de lades feil eller ved termisk løp.

Termisk løp refererer til at litium‑ion‑battericeller overoppheter, noe som får omkringliggende celler til å gjøre det samme. Resultatet er en massiv smelting som kan starte branner eller til og med eksplosjoner. Skadene som oppstår under slike hendelser er godt dokumentert. Et enkelt søk vil fremheve en lang historie med litium‑ion‑batteribranner over hele verden.

Overpotensial

En annen bekymring for brukere av litium‑ion‑batterier er overpotensial. Dette begrepet refererer til mengden energi som brukes for å starte en kjemisk reaksjon og lade batteriet. Litium‑ion‑systemer lider av høyt overpotensial. Imidlertid er alt dette i ferd med å endres 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 flere store fordeler som forbedret ytelse, høyere kapasitet og renere luftkvalitet. Følgelig mener mange at litium‑CO₂‑batterier er det beste steget mot nullutslipp av karbon i fremtiden.

Ulemper med dagens litium‑CO₂‑batterier

En av hovedulempene ved dagens bruk av Li‑CO₂‑batterier er mangelen på pålitelige og rimelige katalysatorer. Med dette i bakhodet har ingeniørene laget en ny versjon som integrerer nyere fremskritt innen materialvitenskap og datamodellering. Den nye tilnærmingen lover å takle to problemer samtidig: energibruk og luftkvalitet.

University of Surrey sitt banebrytende litium‑CO₂‑batteristudie

Studien¹,”Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO2 Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst“, publisert i Advanced Science, utforsker “pustende” batterier. Disse enhetene bruker CO₂ til å samhandle med en spesialbygd katalysator, og skaper en ren energisløyfe.

Litium‑CO₂‑batterier demontert

Som en del av prosessen laget ingeniørene flere Li‑CO₂‑batterier med ulike katalysatorer. De satte deretter batteriene gjennom tusenvis av lade‑sykluser, som representerer år med daglig bruk. Etter syklusperioden demonterte de enhetene for å få en dypere forståelse av hva som skjedde med hensyn til degradering, oppbygging og andre ytelsesbegrensende faktorer. Merkverdig bemerket teamet at litiumkarbonatavleiringer dannet seg og at de kunne fjernes enkelt for å la batteriet forbedre sin lade‑syklus.

Kilde – Surrey School of Chemistry and Chemical Engineering and the Advanced Technology Institute

Litium‑CO₂‑batterier datamodell

Forskerne brukte dataene de fikk fra eksperimentene til å lage en nøyaktig datamodell. Modellen bruker tetthetsfunksjonsteori (DFT) for å forutsi kritiske detaljer og endringer. Modellen forbedret teamets evne til å gjennomføre tanke‑eksperimenter og hjalp dem med å redusere totale kostnader samtidig som de utvidet testingen. Målet var å bruke modellen til å finne det beste materialet for å skape en stabil porøs struktur som kan støtte de kjemiske reaksjonene som gjør litium‑batterier funksjonelle.

Cesiumfosfomolybdat (CPM)

Etter noen tester fastslo ingeniørene at cesiumfosfomolybdat (Cs3PMo12O40, CPM) var et lovende alternativ. Ingeniørene anvendte CPM som katalysator i Li‑CO₂‑batterier og gjennomførte deretter flere tester. For å lage CPM syntetiserte ingeniørene katalysatorene og belagt en katode.

Materialet ble funnet å være ideelt fordi det hadde mange elektroaktive steder og en oksygen‑rik overflate. I tillegg har kompositten en unik mesoporøs morfologi som bidrar til holdbarhet og ytelse under lade‑sykluser, noe som betyr at disse batteriene bruker mindre energi til å lades sammenlignet med sine forgjengere.

Denne CPM‑poren er ideell fordi den støtter effektiv diffusjon av CO₂‑molekyler og Li⁺‑ioner til de aktive stedene. I tillegg har porene en annen funksjon, nemlig å romme utløsningsprodukter. Merkverdig er at de krystallinske strukturene kun måler 140 nm i størrelse.

Pulverdiffraksjon (PXRD)

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

Fourier‑transform infrarød spektroskopi (FTIR)

Neste steg var å fastslå hvilken energi som ble absorbert eller emitert på grunn av prosessene. Ingeniørene brukte Fourier‑transform infrarød spektroskopi for å utføre dette steget. Teamet observerte tilstedeværelsen av keggin‑partikler under prosessen, noe som stemte overens med deres beregningsmodell‑forutsigelser.

Keggin‑enheter

Teamet brukte mye tid på å fastslå om deres skapelse hadde keggin‑enheter integrert i overflaten. Keggin‑enheter refererer til et krystallinsk rammeverk som er kjent for sin robusthet og strukturelle stabilitet. Det er den ideelle oppsettet for batterier fordi det beholder strukturen gjennom syklingsprosessen.

Røntgen‑fotoelektronspektroskopi (XPS)

Teamet brukte røntgen‑fotoelektronspektroskopi for å få en dypere forståelse av den kjemiske tilstanden til katalysatoren under prosessen og etterpå. De fastslo nøyaktig overflatens elementære sammensetning og justerte den for å optimalisere batteriets ytelse og levetid.

Termogravimetri (TG)

Neste steg var å fastslå om det var fuktighet som kom inn i systemet eller ble produsert som biprodukt. Forskerne benyttet termogravimetri for å vurdere vanninnholdet i CPM‑kompositten. Testen viste at det nye designet kunne støtte høy‑tetthets batteriutvikling.

Litium‑CO₂‑batterier test

En rekke laboratorieeksperimenter hjalp ingeniørene med å dobbeltsjekke sine forutsigelser. Teamet kjørte både fysiske og datamodell‑simuleringer for å evaluere den elektrokatalytiske evnen til CPM‑katalysatoren i å forbedre CRR/CER‑kinetikk. De fastslo at strukturen hadde noen unike egenskaper som gjør den ideell som katalysator.

Resultater fra litium‑CO₂‑batterietest

Testresultatene var øyeåpnende. Den nye batteristrukturen fungerte uten feil. Teamet gjennomførte 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 litium‑ion‑alternativer. Imponerende viste de oppgraderte batteriene en utmerket utladeskapasitet på 15 440 mAh g⁻¹ ved 50 mA g⁻¹ med 97,3 % coulombisk effektivitet. I tillegg leverte katalysatoren et lavt overpotensial på 0,67 V.
Disse dataene demonstrerte at det nye designet var langt mer effektivt enn den tradisjonelle katalysatoren. Spesielt tilbyr det en høyere utlades‑ladekapasitet og batterier med lavere overpotensial. I tillegg støtter Li‑CO₂‑batteridesignet en lang stabilitet på 107 sykluser ved 50 mA g⁻¹ med en begrenset kapasitet på 500 mAh g⁻¹.

Toppfordeler med litium‑CO₂‑batterier for ren energi

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

Høyere kapasitet

Rapporten viser at litium‑CO₂‑batterier kan levere høyere kapasitet enn sine forgjengere. I tillegg har de et mye lavere overpotensial, noe som betyr at de bruker langt mindre energi ved lading. Den mindre intense ladeprosessen forlenger batteriets livssyklus uten å redusere ytelsen.

Litium‑CO₂‑batterier er rimeligere.

En annen grunn til at batteriprodusenter og forbrukere kan oppleve en plutselig økning av litium‑CO₂‑alternativer er at de gir en mer kostnadseffektiv produksjonsprosess. Når du kombinerer de reduserte produksjonskostnadene med lavere utslipp, fremstår litium‑CO₂‑alternativet som en praktisk måte å lagre ren energi på.

Litium‑CO₂‑batterier er mer skalerbare

Forskerne sikret 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 i tillegg fanger CO₂, en skadelig klimagass.

Litium‑CO₂‑batterier er mer effektive.

Effektivitet er en annen fordel litium‑CO₂‑batterier har sammenlignet med andre batteriløsninger. Disse neste generasjons strømkildene vil kunne operere effektivt på tvers av et bredt spekter av bruksområder. Enhetene tilbyr mer energikapasitet og kan skaleres opp for å sikre at de passer til den aktuelle anvendelsen.

Ingen sjeldne jordmetaller

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

Reelle anvendelser av litium‑CO₂‑batterier og når de kan forventes

Det finnes mange anvendelser 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 ditt, bilen og enhetene, 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 dyprom og andre verdener, må nye strømalternativer undersøkes. Denne siste utviklingen har noen viktige fordeler, da den kan fungere på fjerne planeter som Mars på grunn av atmosfæren som består av 95 % CO₂.

Tidslinje for litium‑CO₂‑batterier

Det kan ta omtrent fem år før CO₂‑batterier når forbrukerne. Teknologien er der, men teamet må fortsatt finne den beste tilnærmingen for å bringe oppfinnelsen til markedet. Merkverdig er at den økende etterspørselen etter å oppfylle nullutslippsforpliktelser kan akselerere denne tidslinjen og gjøre integrering av litium‑CO₂‑alternativer til en prioritet.

Forskere bak litium‑CO₂‑batterier

Studien om litium‑CO₂‑batterier ble arrangert av Surrey’s School of Chemistry and Chemical Engineering og Advanced Technology Institute. Det banebrytende papiret lister 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 C. T. Slade.

Fremtiden for litium‑CO₂‑batterier

Teamet ønsker å gå dypere inn i andre materialer og hvordan disse katalysatorene samhandler med elektroder og elektrolytter. De vil også utforske Keggin‑type polyoksometallat som en bifunksjonell redokskatalysator. Disse trinnene kan bidra til å forbedre viktige aspekter av designet, inkludert reversibel syklusing av oppladbare Li–CO₂‑batterier.

Investering i batterisektoren

Det finnes flere selskaper som er involvert i batterimarkedet. Disse firmaene spenner fra tier‑1, velkjente produsenter til rimelige alternativer og til og med kopivarer. Etterspørselen etter kvalitetsbatterier forblir høy. Her er en batteriprodusent som er godt posisjonert for suksess og som kan integrere litium‑CO₂‑batterier i sine produkter i fremtiden.

Solid Power

Solid Power (SLDP ) kom inn på markedet i 2011 og har hovedkontor i Colorado. selskapets mål er å skape høy‑ytelses solid‑state‑batterialternativer. Siden lanseringen har Solid Power opplevd betydelig støtte og vekst i markedet. Denne veksten skyldes hovedsakelig deres innovative ånd og unike produkter som erstatter flytende elektrolytter med sulfid‑baserte faste alternativer. Denne tilnærmingen reduserte risikoen for brann eller termisk løp.

Solid Power har flere strategiske partnerskap med el‑bilprodusenter. Disse partnerskapene er designet 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 på tvers av bransjer, inkludert medisinsk og produksjonssektoren.