Rebolusyon sa Lithium-CO₂ Battery na Nakakakuha ng Carbon Habang Pinapagana ang mga Device

Ang mga inhinyero ng University of Surrey ay nagpakilala ng isang Lithium-CO2 battery na nag-aalis ng carbon dioxide mula sa hangin bilang bahagi ng normal nitong operasyon. Ang pinahusay na disenyo ng baterya ay may potensyal na higitan ang mga nauna nito habang tumutulong labanan ang polusyon at pagbabago ng klima. Narito ang kailangan mong malaman.

Bak why Lithium-Ion Batteries Fall Short in Green Energy

Ang hinaharap ay wireless, at nauunawaan ng mga tagagawa na may pangangailangan para sa malinis na solusyon sa baterya. Ang pinaka-karaniwang baterya na ginagamit ngayon ay mga lithium-ion. Ang mga bateryang ito ay matatagpuan sa pang-araw-araw na kagamitan, tulad ng iyong telepono, electric vehicle, at smartwatch. Ang mga lithium-ion battery ay nag-aalok ng katamtamang densidad, mga cycle ng pag-charge, at abot-kaya. Gayunpaman, hindi ito napapanatili at nananatiling malaking pollutant sa mga landfill sa buong mundo.

Pangunahing Hamon ng Lithium-Ion Batteries: Kaligtasan, Gastos, at Basura

May ilang problema ang mga lithium-ion battery na naglilimita sa kanilang bisa at kahusayan. Una, kailangan nila ng mamahaling, rare-earth na materyales. Ang mga mapagkukunan tulad ng platinum ay mahirap kunin at nagpapataas ng gastos sa proseso ng paggawa nang malaki. Bukod pa rito, ang pangangailangan para sa mga rare earth mineral ay naging isyu sa seguridad para sa mga bansa na ngayon ay nagsisikap na matiyak na may malalim na suplay ng mga mahahalagang item na ito.

Ang mga lithium-ion battery ay nagdaranas din ng mahinang cycle life. Ang disenyo ng bateryang ito ay nagdudulot ng ilang pagkawala sa bawat charge cycle. Dahil dito, bumababa ang performance ng lithium-ion battery sa bawat cycle. Bukod pa rito, napakamahal itapon ang mga ito at maaaring maging panganib sa kaligtasan kung hindi maayos ang pag-charge o kung mangyari ang thermal runaway.

Ang thermal runaway ay tumutukoy sa sobrang pag-init ng mga selula ng lithium-ion battery, na nagdudulot ng pag-init ng mga kalapit na selula. Ang resulta ay isang malawak na pagkatunaw na maaaring magdulot ng sunog o kahit pagsabog. Ang pinsalang nagagawa sa mga pangyayaring ito ay mahusay na dokumentado. Ang isang simpleng paghahanap ay magpapakita ng mahabang kasaysayan ng mga sunog ng lithium-ion battery sa buong mundo.

Sobrang Potensyal

Isa pang alalahanin para sa mga gumagamit ng lithium-ion battery ay ang overpotential. Ang terminong ito ay tumutukoy sa dami ng enerhiya na ginagamit upang simulan ang isang kemikal na reaksyon at i-charge ang baterya. Ang mga lithium-ion system ay nagkakaroon ng mataas na overpotential. Gayunpaman, lahat ng ito ay magbabago dahil sa ilang mapanlikhang siyentipiko.

Ano ang Lithium-CO₂ Batteries at Paano Ito Gumagana?

Ang mga Lithium-CO2 battery ay lumitaw bilang isang kapanapanabik na alternatibo. Ang mga rechargeable na bateryang ito ay gumagamit ng CO2 gas bilang tagapagdala ng enerhiya. Ang estrukturang ito ay nagbibigay ng ilang pangunahing benepisyo tulad ng pinahusay na performance, mas mataas na kapasidad, at mas malinis na kalidad ng hangin. Dahil dito, maraming naniniwala na ang mga Lithium-CO2 battery ang pinakamainam na hakbang upang makamit ang net-zero carbon emissions sa hinaharap.

Mga Kahinaan ng Kasalukuyang Lithium-CO2 Batteries

Isa sa mga pangunahing kahinaan ng paggamit ng Li-CO2 battery sa kasalukuyan ay ang kakulangan ng maaasahan at murang mga catalyst. Sa pagkilala sa katotohanang ito, lumikha ang mga inhinyero ng isang bagong bersyon na nag-iintegrate ng mga kamakailang pag-unlad sa material science at computer modeling. Ang bagong approach ay nangangakong tugunan ang dalawang isyu nang sabay, ang paggamit ng enerhiya at kalidad ng hangin.

Pag-aaral ng University of Surrey sa Rebolusyonaryong Lithium-CO₂ Battery

Ang pag-aaral¹, “Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO2 Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst“, na inilathala sa Advanced Science, ay sumisid sa “breathing” batteries. Ang mga device na ito ay gumagamit ng CO2 upang makipag-ugnayan sa isang purpose-built catalyst, na lumilikha ng isang malinis na energy loop.

Lithium-CO2 Batteries na Binaklas

Bilang bahagi ng kanilang proseso, lumikha ang mga inhinyero ng ilang Li-CO2 battery na may iba’t ibang catalyst. Inilagay nila ang mga baterya sa libu-libong charge cycles, na kumakatawan sa mga taon ng pang-araw-araw na paggamit. Pagkatapos ng cycle period, binaklas nila ang mga yunit upang mas malalim na maunawaan kung ano ang nangyari sa usapin ng degradation, buildup, at iba pang performance-limiting factors. Kapansin-pansin, napansin ng koponan na nagbuo ng mga deposito ng lithium carbonate at madaling natanggal ito upang mapabuti ng baterya ang kanyang charge cycle.

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

Modelo ng Computer para sa Lithium-CO2 Batteries

Ginamit ng mga mananaliksik ang datos na nakuha mula sa kanilang mga eksperimento upang lumikha ng isang tumpak na modelo ng computer. Ang modelo ay gumagamit ng density functional theory (DFT) upang hulaan ang mga kritikal na detalye at pagbabago. Pinalakas ng modelo ang kakayahan ng koponan na magsagawa ng mga thought experiments at tumulong sa koponan na bawasan ang kabuuang gastos habang pinalawak ang kanilang testing. Ang layunin ay gamitin ang modelo upang mahanap ang pinakamahusay na materyal para lumikha ng isang matatag na porous structure na maaaring suportahan ang mga kemikal na reaksyon na nagpapagana sa lithium batteries.

Caesium Phosphomolybdate (CPM)

Pagkatapos ng ilang pagsubok, natukoy ng mga inhinyero na ang Caesium phosphomolybdate (Cs3PMo12O40, CPM) ay isang promising na opsyon. Inilapat ng mga inhinyero ang CPM bilang catalyst sa Li‒CO2 batteries at nagsagawa ng ilang mga pagsubok. Upang likhain ang CPM, sinintetisa ng mga inhinyero ang mga catalyst at nag-coat ng cathode.

Natuklasan na ang materyal ay ideal dahil marami itong electroactive sites at may oxygen-enriched surface. Gayundin, ang composite ay may natatanging mesoporous morphology na nagdaragdag sa tibay at performance nito sa mga charge cycles, ibig sabihin, mas kaunti ang enerhiya na ginagamit ng mga bateryang ito para mag-recharge kumpara sa kanilang mga nauna.

Ang pore ng CPM ay ideal dahil sinusuportahan nito ang epektibong diffusion ng mga molekula ng CO2 at mga ion na Li+ patungo sa mga active site. Bukod dito, may isa pang papel ang mga pore, na tumatanggap ng mga discharge product. Kapansin-pansin, ang mga kristalinong estruktura ay may sukat na 140 nm lamang.

Powder X-ray Diffraction (PXRD)

Suriin ng mga inhinyero ang crystal lattice structure at composition ng synthesized CPM catalyst gamit ang powder X-ray diffraction method. Ang tool na ito ay gumagana sa pamamagitan ng pagtuon ng X-rays sa estruktura at pagsusuri ng diffraction pattern nito.

Fourier Transform Infrared (FTIR)

Ang susunod na hakbang ay alamin kung anong enerhiya ang nasipsip o nailabas dahil sa mga proseso. Gumamit ang mga inhinyero ng Fourier Transform Infrared spectroscopy upang maisakatuparan ang hakbang na ito. Napansin ng koponan ang presensya ng mga keggin particle sa proseso, na naaayon sa kanilang mga prediksyon mula sa computational model.

Keggin Units

Naglaan ng maraming pagsisikap ang koponan upang matukoy kung ang kanilang likha ay may kasamang mga keggin unit sa ibabaw nito. Ang mga keggin unit ay tumutukoy sa isang kristalinong framework na kilala sa tibay at structural stability. Ito ay perpektong setup para sa mga baterya dahil pinapanatili nito ang estruktura sa proseso ng pag-cycling.

X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

Ginamit ng koponan ang X-ray photoelectron spectroscopy upang mas malalim na maunawaan ang chemical state ng catalyst sa proseso at pagkatapos nito. Tumpak nilang natukoy ang elemental composition ng surface at inadjust ito upang i-optimize ang performance at longevity ng baterya.

Thermogravimetry (TG)

Ang susunod na hakbang ay alamin kung may moisture na pumapasok sa sistema o nabubuo bilang by-product. Gumamit ang mga mananaliksik ng thermogravimetry upang tasahin ang water content ng CPM composite. Ipinakita ng pagsusuri na ang bagong disenyo ay maaaring suportahan ang high-density battery developments.

Pagsubok sa Lithium-CO2 Batteries

Isang serye ng mga laboratoryong eksperimento ang tumulong sa mga inhinyero na doblehin ang kanilang mga prediksyon. Pinatakbo ng koponan ang parehong pisikal at computer simulations upang suriin ang electrocatalytic capability ng CPM catalyst sa pagpapabuti ng CRR/CER kinetics. Natukoy nila na ang kanilang estruktura ay may ilang natatanging katangian na ginagawang ideal ito para magamit bilang catalyst.

Mga Resulta ng Pagsubok sa Lithium-CO2 Batteries

Ang mga resulta ng pagsubok ay nakabubukas ng mga mata. Ang bagong estruktura ng baterya ay nag-operate nang walang pagkabigo. Isinagawa ng koponan ang 100 cycles sa 50 mA g−1 na may limitasyon ng kapasidad na 500 mAh g−1. Napansin nila na ang device ay maaaring mag-imbak ng mas maraming enerhiya at mas madaling i-charge kumpara sa tradisyonal na Lithium-ion options. Kapansin-pansin, ang upgraded na mga baterya ay nagpakita ng kahanga-hangang discharge capacity na 15440 mAh g−1 sa 50 mA g−1 na may 97.3% coulombic efficiency. Bukod dito, ang catalyst ay naghatid ng mababang overpotential na 0.67 V.
Ipinakita ng datos na ang bagong disenyo ay mas epektibo kaysa sa tradisyonal na catalyst. Partikular, nag-aalok ito ng mas mataas na discharge-charge capacity at mas mababang overpotential na mga baterya. Gayundin, sinusuportahan ng disenyo ng Li-CO2 battery ang mahabang stability na 107 cycles sa 50 mA g−1 na may limitasyon ng kapasidad na 500 mAh g−1.

Pangunahing Benepisyo ng Lithium-CO₂ Batteries para sa Malinis na Enerhiya

Maraming benepisyo ang hatid ng lithium-CO2 batteries sa merkado. Una, nag-aalok ito sa mga gumagamit ng malinis na alternatibo sa lithium-ion batteries, na patuloy na napupuno ang mga landfill. Ang bagong approach na ito ay nagpapababa ng basura at greenhouse gas emissions nang sabay, binubuksan ang pinto para sa industriya ng baterya na gumawa ng seryosong upgrades habang binabawasan ang polusyon.

Mas Mataas na Kapasidad

Ipinapakita ng ulat na ang Lithium-CO2 batteries ay maaaring magbigay ng mas mataas na kapasidad kaysa sa kanilang mga nauna. Bukod pa rito, mayroon silang napakababang overpotential, na nangangahulugang gumagamit sila ng mas kaunting enerhiya para mag-charge. Ang hindi gaanong matinding charging approach ay nagpapalawak ng life cycle ng baterya nang hindi binabawasan ang performance nito.

Mas Abot-Kayang ang Lithium-CO2 Batteries.

Isa pang dahilan kung bakit maaaring makita ng mga tagagawa ng baterya at consumer ang biglaang pagdami ng mga Lithium-CO2 options ay dahil nag-aalok ito ng mas abot-kayang proseso ng paggawa. Kapag pinagsama mo ang nabawasang gastos sa paggawa sa mas mababang emissions, ang Lithium-CO2 alternatibo ay tila praktikal na paraan upang mag-imbak ng malinis na enerhiya.

Mas Nasusukat ang Lithium-CO2 Batteries

Tiniyak ng mga mananaliksik na ang kanilang trabaho ay maaaring i-scale upang matugunan ang pangangailangan ng komunidad. May napakalaking pangangailangan para sa malinis na enerhiya na magpapatakbo ng mga portable devices. Nakikita ng mga inhinyero ang pag-unlad ng bateryang ito bilang isang cost-cutting upgrade na may karagdagang benepisyo na nakakulong ang CO2, isang mapanganib na greenhouse gas.

Mas Epektibo ang Lithium-CO2 Batteries.

Ang kahusayan ay isa pang benepisyo na mayroon ang lithium-CO2 batteries kumpara sa ibang solusyon sa baterya. Ang mga susunod na henerasyon ng power supplies ay mag-ooperate nang epektibo sa napakalawak na hanay ng mga use case. Ang mga yunit ay nag-aalok ng mas maraming energy capacity at maaaring i-scale up upang matiyak na angkop ito sa aplikasyon.

Walang Rare Earth Metals

Ang mga rare earth metals ay limitadong mapagkukunan na patuloy na tumataas ang halaga. May mga pangunahing taripa at iba pang batas na ipinatupad upang subukang protektahan ang access sa mga rare earth metals ng mga superpower ng mundo. Ang desisyon ng mga inhinyero na alisin ang pangangailangan para sa mga mineral na ito sa kanilang disenyo ng baterya ay maaaring isa sa mga pangunahing dahilan kung bakit magtatagumpay ang teknolohiyang ito.

Mga Totoong Aplikasyon ng Lithium-CO₂ Batteries at Kailan Ito Asahan

Maraming aplikasyon para sa mas greener na mga baterya. Kailangan ng mundo ng malinis na alternatibo na maaaring magpatakbo ng dumaraming bilang ng mga wireless system na ginagamit araw-araw. Ang Lithium-CO2 ay maaaring isang araw magpatakbo ng iyong tahanan, kotse, at mga device, habang tumutulong na bawasan ang mapanganib na greenhouse gases.

Paglalakbay sa Kalawakan

Ang paglalakbay sa kalawakan ay isa pang aplikasyon para sa teknolohiyang ito. Habang patuloy na nag-iisip ang mga siyentipiko ng mga paraan upang suportahan ang eksplorasyon sa malalim na kalawakan at iba pang mga mundo, kailangang magsaliksik ng mga bagong opsyon sa enerhiya. Ang pinakabagong pag-unlad na ito ay may ilang pangunahing kalamangan dahil maaari itong mag-operate sa mga malalayong planeta tulad ng Mars dahil ang atmospera nito ay binubuo ng 95% CO₂.

Timeline ng Lithium-CO2 Batteries

Maaaring tumagal ng humigit-kumulang +5 taon bago makarating ang CO2 batteries sa mga consumer. Nandiyan na ang teknolohiya, ngunit kailangan pa ng koponan na alamin ang pinakamahusay na paraan upang dalhin ang kanilang imbensyon sa merkado. Kapansin-pansin, ang lumalaking pangangailangan upang matupad ang net-zero carbon obligations ay maaaring magpabilis ng timeline na ito at makatulong gawing prayoridad ang pag-integrate ng lithium-CO2 options.

Mga Mananaliksik ng Lithium-CO2 Batteries

Ang pag-aaral ng Lithium-CO2 Batteries ay ginanap ng Surrey’s School of Chemistry and Chemical Engineering at ng Advanced Technology Institute. Ang breakthrough paper ay naglista nina Siddharth Gadkari at Daniel Commandeur bilang mga co-authors ng pag-aaral. Nakakuha sila ng suporta mula kina Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr, James Wright, Thomas M Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai, at Robert C. T. Slade.

Hinaharap ng Lithium-CO2 Batteries

Nais ng koponan na mas palalimin pa ang pag-aaral sa iba pang materyales at kung paano nakikipag-ugnayan ang mga catalyst na ito sa mga electrode at electrolyte. Gusto rin nilang higit pang tuklasin ang Keggin-type polyoxometalate bilang isang bifunctional redox catalyst. Ang mga hakbang na ito ay maaaring makatulong mapabuti ang mga pangunahing aspeto ng kanilang disenyo, kabilang ang reversible cycling ng rechargeable Li–CO2 batteries.

Pamumuhunan sa Sektor ng Battery

Maraming kumpanya ang kasangkot sa merkado ng baterya. Ang mga kumpanyang ito ay sumasaklaw mula sa tier 1 na kilalang mga tagagawa hanggang sa mga murang alternatibo at kahit mga knockoffs. Ang demand para sa kalidad na baterya ay nananatiling mataas. Narito ang isang battery manufacturer na nananatiling posisyon para sa tagumpay at maaaring mag-integrate ng lithium-CO2 batteries sa kanilang mga produkto sa hinaharap.

Solid Power

Ang Solid Power (SLDP ) ay pumasok sa merkado noong 2011 at nakabase sa Colorado. Layunin ng kumpanya na lumikha ng high-performance solid-state battery alternatives. Mula nang ilunsad, nakita ng Solid Power ang malaking suporta at paglago sa merkado. Ang paglago na ito ay pangunahing dahil sa kanilang makabago na espiritu at natatanging mga produkto na nagpapalit ng liquid electrolytes ng sulfide solid options. Ang approach na ito ay nagbawas ng panganib ng sunog o thermal runaway.

May ilang strategic partnerships ang Solid Power sa mga EV manufacturers. Ang mga partnership na ito ay dinisenyo upang magdala ng inobasyon at tulungan ang merkado na makahanap ng mas ligtas at mas epektibong alternatibo. Sa kasalukuyan, may mga kasunduan ang kumpanya sa iba’t ibang manufacturers mula sa iba’t ibang industriya, kabilang ang medikal at manufacturing sectors.