Новая батарея способна поглощать углекислый газ

Батарея нового типа, разработанная исследователями из MIT, может быть частично сделана из углекислого газа, захваченного с электростанций. Вместо того, чтобы пытаться преобразовать углекислый газ в специализированные химические вещества с использованием металлических катализаторов, что в настоящее время очень сложно, эта батарея может непрерывно преобразовывать углекислый газ в твердый минеральный карбонат по мере разрядки.

Несмотря на то, что разработка новой аккумуляторной батареи по-прежнему основана на исследованиях на ранних стадиях и далека от коммерческого внедрения, она может открыть новые возможности для адаптации электрохимических реакций конверсии диоксида углерода, что в конечном итоге может способствовать сокращению выбросов парниковых газов в атмосферу.

Батарея сделана от металла лития, углерода, и электролита, который создали исследователи. Результаты исследований описаны в научном журнале Joule.

В настоящее время электростанции, оборудованные системами улавливания углерода, обычно используют до 30 процентов электроэнергии, которую они генерируют, только для обеспечения захвата, выброса и хранения двуокиси углерода. Исследователи говорят, что все, что может снизить стоимость этого процесса захвата или может привести к конечному продукту, имеющему ценность, может значительно изменить экономику таких систем.

Однако «углекислый газ не очень реактивен», объясняют ученые, поэтому «попытка найти новые пути реакции важна». Как правило, единственный способ заставить углекислый газ проявлять значительную активность в электрохимических условиях — это большие входы энергии в виде высоких напряжений, которые могут быть дорогостоящим и неэффективным процессом.

В идеальном случае газ будет подвергаться реакциям, которые производят что-то стоящее, например полезный химикат или топливо. Однако усилия по электрохимическому превращению, обычно проводимые в воде, по-прежнему сдерживаются высокими энергозатратами и низкой селективностью производимых химических веществ.

Ученые изучали вопрос о том, можно ли использовать химию для улавливания диоксида углерода, двуокиси электролитов — одну из трех основных частей батареи — где захваченный газ затем может использоваться во время разряда батареи для обеспечения выходной мощности.

Этот подход отличается от высвобождения углекислого газа обратно в газовую фазу для долгосрочного хранения, как используется в настоящее время. Такой подход, как правило, рассматривает способы захвата углекислого газа с электростанции через процесс химической абсорбции, а затем либо хранение его в подземных резервуарах или химическое изменение его в топливо или сырье.

Вместо этого эта команда исследователей разработала новый подход, который потенциально можно использовать прямо в потоке отходов электростанции для изготовления материала для одного из основных компонентов батареи.

Хотя в последнее время возрос интерес к разработке литий-углекислотных батарей, которые используют газ в качестве реагента во время разряда, низкая реакционная способность углекислого газа, как правило, требует использования металлических катализаторов. Это не только дорого, но и их функция остается плохо понятой, а реакции трудно контролировать.

Однако, включив в состав газ в жидком состоянии, ученые нашли способ добиться электрохимической конверсии двуокиси углерода с использованием только углеродного электрода. Ключ состоит в том, чтобы предварительно активировать углекислый газ, включив его в раствор аминов.

«Мы впервые показали, что этот метод активирует углекислый газ для более легкой электрохимии», — говорят исследователи. «Эти две химии — водные амины и неводные электролиты батареи — обычно не используются вместе, но мы обнаружили, что их комбинация придает новое и интересное поведение, которое может увеличить напряжение разряда и обеспечить постоянную конверсию диоксида углерода».

Исследователи продемонстрировали в серии экспериментов, что такой подход действительно работает, и может производить литий-углекислотные батареи с напряжением и емкостью, которые являются конкурентоспособными по сравнению с новейшими литиево-газовыми батареями.

Ключом является разработка правильной системы электролита. В исследовании было решено использовать неводный электролит, так как это ограничило бы доступные пути реакции и, следовательно, облегчило бы описание реакции и определение ее жизнеспособности.

Эта ранняя система еще не оптимизирована и требует дальнейшего развития, говорят исследователи. Во-первых, срок службы батареи ограничен 10 циклами зарядки-разрядки, поэтому необходимы дополнительные исследования для улучшения перезарядки и предотвращения деградации компонентов ячейки. «Литий-углекислотные батареи находятся на расстоянии нескольких лет» как жизнеспособный продукт, говорят ученые, поскольку это исследование охватывает только одно из нескольких необходимых достижений, чтобы сделать такие батареи практичными.

Aliza Khurram et al, Tailoring the Discharge Reaction in Li-CO2 Batteries through Incorporation of CO2 Capture Chemistry, Joule (2018). DOI: 10.1016/j.joule.2018.09.002