Denna avbildande elektronmikroskopbild visar kolkatoden i ett koldioxidbaserat batteri tillverkat av MIT-forskare, efter att batteriet var urladdat. Det visar uppbyggnaden av kolföreningar på ytan, består av karbonatmaterial som kan härledas från kraftverkets utsläpp, jämfört med den ursprungliga orörda ytan (infälld). Upphovsman:Massachusetts Institute of Technology
En ny typ av batteri som utvecklats av forskare vid MIT kan delvis tillverkas av koldioxid som fångats från kraftverk. Istället för att försöka omvandla koldioxid till specialiserade kemikalier med hjälp av metallkatalysatorer, som för närvarande är mycket utmanande, detta batteri kan kontinuerligt omvandla koldioxid till ett fast mineralkarbonat när det laddas ur.
Även om det fortfarande är baserat på forskning i tidigt skede och långt ifrån kommersiell distribution, den nya batteriformuleringen kan öppna upp nya vägar för att skräddarsy elektrokemiska koldioxidomvandlingsreaktioner, vilket i slutändan kan bidra till att minska utsläppen av växthusgaser till atmosfären.
Batteriet är tillverkat av litiummetall, kol, och en elektrolyt som forskarna designade. Resultaten beskrivs idag i tidningen Joule , i en uppsats av biträdande professor i maskinteknik Betar Gallant, doktorand Aliza Khurram, och postdoc Mingfu He.
För närvarande, kraftverk utrustade med kolfångstsystem använder i allmänhet upp till 30 procent av den el de genererar bara för att driva fångsten, släpp, och lagring av koldioxid. Allt som kan minska kostnaden för den inspelningsprocessen, eller som kan resultera i en slutprodukt som har värde, kan avsevärt förändra ekonomin i sådana system, säger forskarna.
Dock, "koldioxid är inte särskilt reaktiv, "Förklarar Gallant, så "att försöka hitta nya reaktionsvägar är viktigt." Rent generellt, det enda sättet att få koldioxid att uppvisa betydande aktivitet under elektrokemiska förhållanden är med stora energiingångar i form av höga spänningar, vilket kan vara en dyr och ineffektiv process. Helst, gasen skulle genomgå reaktioner som ger något värdefullt, såsom en användbar kemikalie eller ett bränsle. Dock, ansträngningar för elektrokemisk omvandling, vanligtvis utförs i vatten, hindras av höga energitillförsel och dålig selektivitet av de kemikalier som produceras.
Gallant och hennes arbetskamrater, vars expertis har att göra med icke-vattenhaltiga (inte vattenbaserade) elektrokemiska reaktioner som de som ligger till grund för litiumbaserade batterier, undersökte om koldioxidavskiljande kemi skulle kunna användas för att göra koldioxidbelastade elektrolyter-en av de tre väsentliga delarna av ett batteri-där den fångade gasen sedan kunde användas under urladdning av batteriet för att ge en uteffekt.
Detta tillvägagångssätt skiljer sig från att släppa ut koldioxiden tillbaka till gasfasen för långtidslagring, som nu används vid kolfångst och bindning, eller CCS. Det fältet tittar generellt på sätt att fånga koldioxid från ett kraftverk genom en kemisk absorptionsprocess och sedan antingen lagra den i underjordiska formationer eller kemiskt ändra den till ett bränsle eller ett kemiskt råmaterial.
Istället, detta team utvecklade ett nytt tillvägagångssätt som potentiellt skulle kunna användas direkt i kraftverkets avfallsström för att tillverka material för en av huvudkomponenterna i ett batteri.
Medan intresset har ökat nyligen för utvecklingen av litium-koldioxidbatterier, som använder gasen som reaktant under urladdning, den låga reaktiviteten hos koldioxid har vanligtvis krävt användning av metallkatalysatorer. Dessa är inte bara dyra, men deras funktion förblir dåligt förstådd, och reaktioner är svåra att kontrollera.
Genom att införliva gasen i flytande tillstånd, dock, Gallant och hennes medarbetare hittade ett sätt att uppnå elektrokemisk koldioxidomvandling med endast en kolelektrod. Nyckeln är att föraktivera koldioxiden genom att införliva den i en aminlösning.
"Vad vi har visat för första gången är att denna teknik aktiverar koldioxiden för lättare elektrokemi, "Säger Gallant." Dessa två kemier - vattenhaltiga aminer och icke -vattenhaltiga batterielektrolyter - används normalt inte tillsammans, men vi fann att deras kombination ger nya och intressanta beteenden som kan öka urladdningsspänningen och möjliggöra varaktig omvandling av koldioxid. "
De visade genom en rad experiment att detta tillvägagångssätt fungerar, och kan producera ett litium-koldioxidbatteri med spänning och kapacitet som är konkurrenskraftiga med det för state-of-the-art litium-gasbatterier. Dessutom, aminen fungerar som en molekylär promotor som inte förbrukas i reaktionen.
Nyckeln var att utveckla rätt elektrolytsystem, Khurram förklarar. I denna första proof-of-concept-studie, de bestämde sig för att använda en icke -vattenhaltig elektrolyt eftersom den skulle begränsa de tillgängliga reaktionsvägarna och därför göra det lättare att karakterisera reaktionen och bestämma dess livskraft. Aminmaterialet som de valde används för närvarande för CCS -applikationer, men hade inte tidigare applicerats på batterier.
Detta tidiga system har ännu inte optimerats och kommer att kräva ytterligare utveckling, säger forskarna. För en sak, batteriets livslängd är begränsad till 10 laddnings-urladdningscykler, så det behövs mer forskning för att förbättra laddningsbarheten och förhindra nedbrytning av cellkomponenterna. "Litium-koldioxidbatterier är år borta" som en livskraftig produkt, Gallant säger, eftersom denna forskning täcker bara en av flera framsteg som behövs för att göra dem praktiska.
Men konceptet erbjuder stor potential, enligt Gallant. Koldioxidutsläpp anses allmänt vara avgörande för att uppfylla världsomspännande mål för att minska utsläppen av växthusgaser, men det är ännu inte bevisat, långsiktiga sätt att kassera eller använda all resulterande koldioxid. Underjordisk geologisk deponering är fortfarande den ledande utmanaren, men detta tillvägagångssätt förblir något obevisat och kan vara begränsat i hur mycket det kan rymma. Det kräver också extra energi för borrning och pumpning.
Forskarna undersöker också möjligheten att utveckla en kontinuerlig version av processen, som skulle använda en stadig ström av koldioxid under tryck med aminmaterialet, snarare än en förinstallerad leverera materialet, så att den kan leverera en stabil effekt så länge batteriet levereras med koldioxid. I sista hand, de hoppas kunna göra detta till ett integrerat system som kommer att genomföra både fångst av koldioxid från ett kraftverks utsläppsström, och dess omvandling till ett elektrokemiskt material som sedan kan användas i batterier. "Det är ett sätt att avlägsna det som en användbar produkt, "Säger Gallant.
