Lithium-CO₂-batteri genombrott fångar koldioxid samtidigt som det driver enheter

University of Surrey har introducerat ett Lithium-CO₂-batteri som avlägsnar koldioxid från luften som en del av sin normala drift. Den uppgraderade batteridesignen har potential att överträffa sina föregångare samtidigt som den hjälper till att bekämpa föroreningar och klimatförändringar. Här är vad du behöver veta.

Varför litiumjonbatterier misslyckas med grön energi

Framtiden är trådlös, och tillverkare förstår att det finns en efterfrågan på rena batterilösningar. De vanligaste batterierna som används idag är litiumjonalternativ. Dessa batterier finns i vardagliga enheter, såsom din mobiltelefon, elbil och smartklocka. Litiumjonbatterier erbjuder rimlig energitäthet, laddningscykler och är prisvärda. De är dock inte hållbara och förblir en stor förorening på soptippar världen över.

Viktiga utmaningar för litiumjonbatterier: Säkerhet, kostnad och avfall

Det finns flera problem med litiumjonbatterier som har begränsat deras effektivitet och prestanda. För det första kräver de användning av dyra, sällsynta jordartsmetaller. Resurser som platina är svåra att få tag på och höjer tillverkningskostnaderna avsevärt. Dessutom har efterfrågan på sällsynta jordartsmineraler blivit ett säkerhetsproblem för nationer som nu vill säkerställa djupa lager av dessa viktiga material.

Litiumjonbatterier lider också av kort livslängd i cykler. Designen på detta batteri medför viss förlust för varje laddningscykel. Därför minskar litiumjonbatteriers prestanda med varje cykel. Dessutom är de mycket dyra att kassera och kan bli en säkerhetsrisk om de laddas felaktigt eller om termisk rusning inträffar.

Termisk rusning avser att litiumjonbattericeller överhettas, vilket får omgivande celler att göra detsamma. Resultatet blir en massiv kollaps som kan starta bränder eller till och med explosioner. Skadorna som uppstår under dessa händelser är väl dokumenterade. En enkel sökning visar en lång historia av litiumjonbatteribränder världen över.

Overpotential

En annan oro för litiumjonbatterianvändare är överpotential. Detta begrepp avser den mängd energi som krävs för att initiera en kemisk reaktion och ladda batteriet. Litiumjonssystem lider av hög överpotential. Detta är dock på väg att förändras tack vare några uppfinningsrika forskare.

Vad är Lithium-CO₂-batterier och hur fungerar de?

Lithium-CO₂-batterier har framträtt som ett spännande alternativ. Dessa uppladdningsbara batterier använder CO₂-gas som energibärare. Denna struktur ger stora fördelar såsom förbättrad prestanda, högre kapacitet och renare luftkvalitet. Följaktligen tror många att lithium-CO₂-batterier är det bästa steget för att uppnå nettonoll koldioxidutsläpp i framtiden.

Nackdelar med nuvarande Lithium-CO₂-batterier

En av de största nackdelarna med nuvarande Li-CO₂-batterier är bristen på pålitliga och kostnadseffektiva katalysatorer. Med detta i åtanke har ingenjörer skapat en ny version som integrerar de senaste framstegen inom materialvetenskap och datormodellering. Det nya tillvägagångssättet lovar att lösa två problem samtidigt: energianvändning och luftkvalitet.

University of Surrey:s genombrott i Lithium-CO₂-batteristudie

Studien¹, “Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO2 Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst“, publicerad i Advanced Science, går in på “andande” batterier. Dessa enheter använder CO₂ för att interagera med en specialbyggd katalysator, vilket skapar en ren energilupp.

Lithium-CO₂-batterier demonterade

Som en del av sin process skapade ingenjörerna flera Li-CO₂-batterier med olika katalysatorer. De körde sedan batterierna genom tusentals laddningscykler, vilket motsvarar år av daglig användning. Efter cykelperioden demonterade de enheterna för att få en djupare förståelse för vad som inträffade i termer av nedbrytning, uppbyggnad och andra prestandabegränsande faktorer. Noterbart märkte teamet att litiumkarbonatavlagringar bildades och att de enkelt kunde avlägsnas för att möjliggöra att batteriet förbättrade sin laddningscykel.

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

Lithium-CO₂-batteriers datorbaserade modell

Forskarna använde de data de erhöll från sina experiment för att skapa en exakt datorbaserad modell. Modellen använder densitetsfunktionalteori (DFT) för att förutsäga kritiska detaljer och förändringar. Modellen förbättrade teamets förmåga att genomföra tankeexperiment och hjälpte dem att minska totala kostnader samtidigt som de utökade sina tester. Målet var att använda modellen för att hitta det bästa materialet för att skapa en stabil porös struktur som kan stödja de kemiska reaktionerna som får litiumbatterier att fungera.

Cesiumfosfomolybdat (CPM)

Efter viss testning fastställde ingenjörerna att cesiumfosfomolybdat (Cs3PMo12O40, CPM) var ett lovande alternativ. Ingenjörerna använde CPM som katalysator i Li‑CO₂-batterier och genomförde sedan flera tester. För att skapa CPM syntetiserade ingenjörerna katalysatorerna och belade en katod.

Materialet visade sig vara idealiskt eftersom det hade många elektroaktiva platser och en syreberikad yta. Dessutom har kompositen en unik mesoporös morfologi som bidrar till dess hållbarhet och prestanda under laddningscykler, vilket innebär att dessa batterier använder mindre energi för att laddas jämfört med sina föregångare.

Denna CPM-por är idealisk eftersom den möjliggör effektiv diffusion av CO₂-molekyler och Li⁺-joner till de aktiva platserna. Dessutom har porerna en annan funktion, nämligen att rymma urladdningsprodukter. Noterbart är att de kristallina strukturerna bara mäter 140 nm i storlek.

Pulverdiffraktion med röntgenstrålar (PXRD)

Ingenjörerna granskade kristallgitterstrukturen och sammansättningen av den syntetiserade CPM-katalysatorn med hjälp av en pulverdiffraktionsmetod med röntgenstrålar. Detta verktyg fungerar genom att fokusera röntgenstrålar på strukturen och analysera dess diffraktionsmönster.

Fouriertransform infraröd (FTIR)

Nästa steg var att fastställa vilken energi som absorberades eller emitterades på grund av processerna. Ingenjörerna använde Fouriertransform-infraröd spektroskopi för att utföra detta steg. Teamet noterade närvaron av keggin-partiklar under processen, vilket stämde överens med deras beräkningsmodells förutsägelser.

Keggin-enheter

Teamet lade ner mycket arbete för att avgöra om deras skapelse hade keggin-enheter integrerade i ytan. Keggin-enheter avser ett kristallint ramverk som är känt för sin robusthet och strukturella stabilitet. Det är den idealiska strukturen för batterier eftersom den behåller sin form genom cykelprocessen.

Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS)

Teamet använde röntgenfotoelektronspektroskopi för att få en djupare förståelse av katalysatorns kemiska tillstånd under processen och efteråt. De fastställde exakt ytantalet av element och justerade det för att optimera batteriets prestanda och livslängd.

Termogravimetri (TG)

Nästa steg var att avgöra om fukt trängde in i systemet eller bildades som en biprodukt. Forskarna använde termogravimetri för att bedöma vatteninnehållet i CPM-kompositen. Testet visade att den nya designen kan stödja utvecklingen av högdensitetsbatterier.

Lithium-CO₂-batterier test

En serie laboratorieexperiment hjälpte ingenjörerna att dubbelkolla sina förutsägelser. Teamet körde både fysiska och datorbaserade simuleringar för att utvärdera den elektrokatalytiska förmågan hos CPM-katalysatorn att förbättra CRR/CER-kinetik. De fastställde att deras struktur hade några unika egenskaper som gör den idealisk för användning som katalysator.

Lithium-CO₂-batterier testresultat

Testresultaten var ögonöppnande. Den nya batteristrukturen fungerade utan fel. Teamet genomförde 100 cykler vid 50 mA g⁻¹ med en kapacitetsbegränsning på 500 mAh g⁻¹. De noterade att enheten kunde lagra mer energi och var lättare att ladda än traditionella litiumjonalternativ. Imponerande visade de uppgraderade batterierna en utmärkt urladdningskapacitet på 15440 mAh g⁻¹ vid 50 mA g⁻¹ med 97,3 % coulombisk verkningsgrad. Dessutom levererade katalysatorn en låg överpotential på 0,67 V.
Dessa data visade att den nya designen var betydligt mer effektiv än den traditionella katalysatorn. Specifikt erbjuder den en högre urladdnings‑laddningskapacitet och batterier med lägre överpotential. Dessutom stödjer Li‑CO₂-batteridesignen en lång stabilitet på 107 cykler vid 50 mA g⁻¹ med en begränsad kapacitet på 500 mAh g⁻¹.

Toppfördelar med Lithium-CO₂-batterier för ren energi

Det finns många fördelar som lithium‑CO₂-batterier ger till marknaden. För det första erbjuder de användarna ett rent alternativ till litiumjonbatterier, som fortsätter att fylla soptippar. Detta nya tillvägagångssätt minskar både avfall och växthusgasutsläpp samtidigt, vilket öppnar dörren för batteriindustrin att göra betydande förbättringar samtidigt som föroreningarna minskar.

Högre kapacitet

Rapporten visar att Lithium‑CO₂-batterier kan erbjuda högre kapacitet än sina föregångare. Dessutom har de en mycket lägre överpotential, vilket betyder att de använder betydligt mindre energi för att laddas. Den mindre intensiva laddningsmetoden förlänger batteriets livscykel utan att minska dess prestanda.

Lithium-CO₂-batterier är mer prisvärda.

En annan anledning till att batteritillverkare och konsumenter kan se ett plötsligt inflöde av Lithium‑CO₂-alternativ är att de möjliggör en mer prisvärd tillverkningsprocess. När du kombinerar de minskade tillverkningskostnaderna med de lägre utsläppen framstår Lithium‑CO₂-alternativet som ett praktiskt sätt att lagra ren energi.

Lithium-CO₂-batterier är mer skalbara

Forskarna säkerställde att deras arbete kan skalas för att möta samhällets behov. Det finns en enorm efterfrågan på rena energialternativ för att driva bärbara enheter. Ingenjörerna ser denna batteriutveckling som en kostnadsbesparande förbättring som dessutom har fördelen att den fångar CO₂, en skadlig växthusgas.

Lithium-CO₂-batterier är mer effektiva.

Effektivitet är en annan fördel som lithium‑CO₂-batterier har jämfört med andra batterilösningar. Dessa nästa generations strömförsörjningar kommer att kunna fungera effektivt över ett brett spektrum av användningsområden. Enheterna erbjuder mer energikapacitet och kan skalas upp för att säkerställa att de passar för den specifika tillämpningen.

Inga sällsynta jordartsmetaller

Sällsynta jordartsmetaller är en begränsad resurs som fortsätter att öka i värde. Det finns redan stora tullar och annan lagstiftning för att försöka skydda tillgången till sällsynta jordartsmetaller för världens supermakter. Ingenjörernas beslut att eliminera behovet av dessa mineraler i deras batteridesign kan vara en av huvudorsakerna till att denna teknik lyckas.

Verkliga tillämpningar av Lithium-CO₂-batterier och när de kan förväntas

Det finns många tillämpningar för grönare batterier. världen behöver rena alternativ som kan driva det växande antalet trådlösa system som används dagligen. Lithium‑CO₂ kan en dag driva ditt hem, din bil och dina enheter, samtidigt som det hjälper till att minska skadliga växthusgaser.

Rymdresor

Rymdresor är en annan tillämpning för denna teknik. När forskare fortsätter att tänka på sätt att stödja utforskning av djup rymd och andra världar måste nya energialternativ undersökas. Denna senaste utveckling har några viktiga fördelar, eftersom den kan fungera på avlägsna planeter som Mars på grund av att dess atmosfär består av 95 % CO₂.

Lithium-CO₂-batteriers tidslinje

Det kan ta cirka +5 år innan CO₂-batterier når konsumenterna. Tekniken finns, men teamet måste fortfarande hitta det bästa sättet att ta sin uppfinning till marknaden. Noterbart är att den ökande efterfrågan på att uppfylla nettonollkoldioxidmål kan påskynda denna tidslinje och hjälpa till att göra integrationen av lithium‑CO₂-alternativ till en prioritet.

Forskare bakom Lithium-CO₂-batterier

Studien om lithium‑CO₂-batterier leddes av Surreys School of Chemistry and Chemical Engineering samt Advanced Technology Institute. Det banbrytande papperet listar Siddharth Gadkari och Daniel Commandeur som medförfattare till studien. De fick stöd från Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr, James Wright, Thomas M Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai och Robert C. T. Slade.

Lithium-CO₂-batteriers framtid

Teamet vill fördjupa sig i andra material och hur dessa katalysatorer interagerar med elektroder och elektrolyter. De vill också vidare utforska Keggin-typ polyoxometallat som en bifunktionell redoxkatalysator. Dessa steg kan hjälpa till att förbättra viktiga aspekter av deras design, inklusive den reversibla cyklingen av uppladdningsbara Li‑CO₂-batterier.

Investera i batterisektorn

Det finns flera företag som är verksamma på batterimarknaden. Dessa företag sträcker sig från tier‑1‑kända tillverkare till lågkostnadsalternativ och till och med kopior. Efterfrågan på kvalitetsbatterier förblir hög. Här är en batteritillverkare som är väl positionerad för framgång och som i framtiden kan integrera lithium‑CO₂-batterier i sina produkter.

Solid Power

Solid Power (SLDP ) gick in på marknaden 2011 och har huvudkontor i Colorado. Företagets mål är att skapa högpresterande solid‑state‑batterialternativ. Sedan lanseringen har Solid Power sett betydande stöd och tillväxt på marknaden. Denna tillväxt beror främst på deras innovativa anda och unika produkter som ersätter flytande elektrolyter med sulfidbaserade fasta alternativ. Detta tillvägagångssätt minskar risken för brand eller termisk rusning.

Solid Power har flera strategiska partnerskap med EV‑tillverkare. Dessa partnerskap är utformade för att driva innovation och hjälpa marknaden att hitta ett säkrare och mer effektivt alternativ. Idag har företaget avtal med en rad tillverkare från olika branscher, inklusive den medicinska och tillverkningssektorn.