Een nieuw type batterij, ontwikkeld door onderzoekers van MIT, zou gedeeltelijk kunnen worden gemaakt van koolstofdioxide dat is opgevangen uit energiecentrales. In plaats van te proberen koolstofdioxide om te zetten in gespecialiseerde chemicaliën met behulp van metaalkatalysatoren, die momenteel zeer uitdagend is, deze batterij kan tijdens het ontladen continu koolstofdioxide omzetten in een vast mineraal carbonaat.

Hoewel nog steeds gebaseerd op onderzoek in een vroeg stadium en verre van commerciële toepassing, de nieuwe batterijformulering zou nieuwe wegen kunnen openen voor het afstemmen van elektrochemische kooldioxideomzettingsreacties, wat uiteindelijk kan helpen de uitstoot van het broeikasgas naar de atmosfeer te verminderen.

De batterij is gemaakt van lithiummetaal, koolstof, en een elektrolyt dat de onderzoekers hebben ontworpen. De bevindingen worden vandaag beschreven in het tijdschrift Joule , in een paper van universitair docent werktuigbouwkunde Betar Gallant, promovendus Aliza Khurram, en postdoc Mingfu He.

Momenteel, elektriciteitscentrales die zijn uitgerust met systemen voor het opvangen van koolstof, verbruiken over het algemeen tot 30 procent van de elektriciteit die ze opwekken, alleen maar om de opvang van stroom te voorzien, uitgave, en opslag van kooldioxide. Alles wat de kosten van dat opnameproces kan verlagen, of dat kan resulteren in een eindproduct dat waarde heeft, zou de economie van dergelijke systemen aanzienlijk kunnen veranderen, zeggen de onderzoekers.

Echter, "kooldioxide is niet erg reactief, "Galant legt uit, dus "proberen nieuwe reactieroutes te vinden is belangrijk." Over het algemeen, de enige manier om koolstofdioxide onder elektrochemische omstandigheden significante activiteit te laten vertonen, is met grote energie-inputs in de vorm van hoge spanningen, wat een duur en inefficiënt proces kan zijn. Ideaal, het gas zou reacties ondergaan die iets waardevols opleveren, zoals een nuttige chemische stof of een brandstof. Echter, inspanningen op het gebied van elektrochemische conversie, meestal uitgevoerd in water, blijven gehinderd door een hoge energie-input en een slechte selectiviteit van de geproduceerde chemicaliën.

Gallant en haar medewerkers, wiens expertise te maken heeft met niet-waterige (niet op water gebaseerde) elektrochemische reacties zoals die welke ten grondslag liggen aan op lithium gebaseerde batterijen, onderzocht of koolstofdioxide-afvangchemie kan worden gebruikt om met koolstofdioxide beladen elektrolyten te maken - een van de drie essentiële onderdelen van een batterij - waar het opgevangen gas vervolgens kan worden gebruikt tijdens het ontladen van de batterij om een vermogen.

Deze aanpak verschilt van het terugbrengen van de kooldioxide naar de gasfase voor langdurige opslag, zoals nu wordt gebruikt bij het afvangen en vastleggen van koolstof, of CCS. Dat veld kijkt over het algemeen naar manieren om koolstofdioxide uit een energiecentrale af te vangen via een chemisch absorptieproces en het vervolgens op te slaan in ondergrondse formaties of het chemisch te veranderen in een brandstof of een chemische grondstof.

In plaats daarvan, dit team ontwikkelde een nieuwe aanpak die mogelijk rechtstreeks in de afvalstroom van de energiecentrale kan worden gebruikt om materiaal te maken voor een van de hoofdcomponenten van een batterij.

Hoewel de belangstelling voor de ontwikkeling van lithium-koolstofdioxidebatterijen de laatste tijd is toegenomen, die het gas als reactant gebruiken tijdens de ontlading, de lage reactiviteit van kooldioxide vereist typisch het gebruik van metaalkatalysatoren. Deze zijn niet alleen duur, maar hun functie blijft slecht begrepen, en reacties zijn moeilijk te controleren.

Door het gas in vloeibare toestand op te nemen, echter, Gallant en haar collega's hebben een manier gevonden om elektrochemische kooldioxideomzetting te bereiken met alleen een koolstofelektrode. De sleutel is om het kooldioxide te preactiveren door het op te nemen in een amine-oplossing.

"Wat we voor het eerst hebben aangetoond, is dat deze techniek de kooldioxide activeert voor een eenvoudigere elektrochemie, "zegt Gallant. "Deze twee chemische stoffen - waterige amines en niet-waterige batterij-elektrolyten - worden normaal niet samen gebruikt, maar we ontdekten dat hun combinatie nieuw en interessant gedrag oplevert dat de ontladingsspanning kan verhogen en een aanhoudende omzetting van koolstofdioxide mogelijk maakt."

Ze toonden door een reeks experimenten aan dat deze aanpak werkt, en kan een lithium-kooldioxidebatterij produceren met een spanning en capaciteit die concurrerend is met die van de modernste lithium-gasbatterijen. Bovendien, het amine werkt als een moleculaire promotor die niet wordt verbruikt in de reactie.

De sleutel was het ontwikkelen van het juiste elektrolytsysteem, Khurram legt uit. In deze eerste proof-of-concept-studie, ze besloten een niet-waterige elektrolyt te gebruiken omdat dit de beschikbare reactieroutes zou beperken en het daarom gemakkelijker zou maken om de reactie te karakteriseren en de levensvatbaarheid ervan te bepalen. Het door hen gekozen aminemateriaal wordt momenteel gebruikt voor CCS-toepassingen, maar was niet eerder toegepast op batterijen.

Dit vroege systeem is nog niet geoptimaliseerd en zal verder ontwikkeld moeten worden, zeggen de onderzoekers. Voor een ding, de levensduur van de batterij is beperkt tot 10 laad-ontlaadcycli, er is dus meer onderzoek nodig om de oplaadbaarheid te verbeteren en degradatie van de celcomponenten te voorkomen. "Lithium-kooldioxide-batterijen zijn nog jaren verwijderd" als een levensvatbaar product, Gallant zegt, aangezien dit onderzoek slechts een van de vele noodzakelijke vorderingen omvat om ze praktisch te maken.

Maar het concept biedt een groot potentieel, volgens Gallant. Koolstofafvang wordt algemeen beschouwd als essentieel voor het behalen van wereldwijde doelstellingen voor het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen, maar er zijn nog niet bewezen, manieren om al het resulterende koolstofdioxide op lange termijn te verwijderen of te gebruiken. Ondergrondse geologische berging is nog steeds de grootste kanshebber, maar deze benadering blijft enigszins onbewezen en kan beperkt zijn in hoeveel het kan accommoderen. Ook voor boren en pompen is extra energie nodig.

De onderzoekers onderzoeken ook de mogelijkheid om een ​​continu werkende versie van het proces te ontwikkelen, die een gestage stroom kooldioxide zou gebruiken onder druk met het aminemateriaal, in plaats van een voorgeladen toevoer van het materiaal, waardoor het een constant vermogen kan leveren zolang de batterij wordt voorzien van koolstofdioxide. uiteindelijk, ze hopen hier een geïntegreerd systeem van te maken dat zowel de afvang van koolstofdioxide uit de emissiestroom van een elektriciteitscentrale, en de omzetting ervan in een elektrochemisch materiaal dat vervolgens in batterijen kan worden gebruikt. "Het is een manier om het te sekwestreren als een nuttig product, "zegt Gallant.