麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)的新技術(shù)可以使用從發(fā)電廠捕獲的二氧化碳來制造新型鋰電池。

該掃描電子顯微鏡圖像顯示了由麻省理工學(xué)院研究人員制造的二氧化碳基電池在電池放電后的碳陰極。由圖可以看出，碳化合物在表面上的累積，與原始的原始表面(插圖)相比，碳化合物是由電廠排放產(chǎn)生的碳酸鹽物質(zhì)組成的。

麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)的一種新型電池可以部分地由發(fā)電廠捕獲的二氧化碳制成。這種電池不是試圖使用金屬催化劑將二氧化碳轉(zhuǎn)化為專用化學(xué)品，那是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。這種電池是在電池放電時(shí)連續(xù)地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為固體碳酸鹽。

雖然這種新型電池仍然以早期研究為基礎(chǔ)，并且還遠(yuǎn)未投入商業(yè)應(yīng)用，但新的電池配方可以為定制電化學(xué)二氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)開辟新的途徑，最終其可能有助于減少溫室氣體向大氣的排放。

電池由研究人員設(shè)計(jì)的鋰金屬，碳和電解質(zhì)制成。機(jī)械工程助理教授BetarGallant，博士生AlizaKhurram和博士后MingfuHe將他們的科研成果于今日發(fā)表在了“Joule”雜志上。

目前，為了捕獲、釋放和儲(chǔ)存二氧化碳，配備碳捕獲系統(tǒng)的發(fā)電廠通常需要消耗其產(chǎn)生的高達(dá)30%的電力來完成上述操作。研究人員表示，任何可以降低捕獲過程成本的東西，或者能產(chǎn)生有價(jià)值的最終產(chǎn)品的東西，都會(huì)顯著改變這種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

然而，“二氧化碳并不是很活躍，”Gallant解釋說，所以“試圖找到新的反應(yīng)途徑很重要。”通常情況下，使二氧化碳在電化學(xué)條件下表現(xiàn)出顯著活性的唯一方法是以高電壓的形式輸入大量能源，這可能是昂貴且低效的過程。理想情況下，氣體會(huì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生有價(jià)值的東西，例如有用的化學(xué)品或燃料。然而，通常在水中進(jìn)行的電化學(xué)轉(zhuǎn)化工作仍然受到高能量輸入和所產(chǎn)生化學(xué)品的選擇性差的阻礙。

Gallant及其同事，他們的專長是非水基電化學(xué)反應(yīng)(例如鋰基電池)，他們研究了二氧化碳捕獲化學(xué)是否可用于制造二氧化碳負(fù)載的電解質(zhì)(電解質(zhì)是電池的三個(gè)基本部分之一)，然后可以在電池放電期間使用捕獲的氣體來提供功率輸出。

該方法不同于現(xiàn)在用于碳捕獲和封存(簡稱為CCS)的方法將二氧化碳釋放回氣相以進(jìn)行長期儲(chǔ)存。該領(lǐng)域通常著眼于研究通過化學(xué)吸收過程從發(fā)電廠捕獲二氧化碳的方法，然后將其儲(chǔ)存在地下地層中或?qū)⑵浠瘜W(xué)性地改變成燃料或化學(xué)原料。

相反，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新方法，可以直接在電廠廢物流中使用，為電池的一個(gè)主要組件制造材料。

雖然最近人們對(duì)鋰-二氧化碳電池的開發(fā)越來越感興趣，因?yàn)樵撾姵卦诜烹娺^程中使用這種氣體作為反應(yīng)物，但二氧化碳的低反應(yīng)性通常需要使用金屬催化劑。這些金屬催化劑不僅費(fèi)用昂貴，而且我們對(duì)其功能的了解仍然知之甚少，同時(shí)反應(yīng)難以控制。

然而，Gallant和她的同事們通過將氣體加入液態(tài)中，找到了一種僅使用碳電極就能實(shí)現(xiàn)電化學(xué)二氧化碳轉(zhuǎn)化的方法。關(guān)鍵是將二氧化碳加入到胺溶液中來預(yù)活化二氧化碳。

“我們第一次展示的是，這種技術(shù)可以激活二氧化碳，從而更容易進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。”Gallant說。“這兩種化學(xué)物質(zhì)：水胺和非水電池電解質(zhì)，通常不能一起使用。但我們發(fā)現(xiàn)它們的結(jié)合產(chǎn)生了新的有趣的行為，其可以提高放電電壓，并允許二氧化碳的持續(xù)轉(zhuǎn)換。”

他們通過一系列實(shí)驗(yàn)表明，這種方法確實(shí)有效，并且可以生產(chǎn)出具有電壓和容量的鋰——二氧化碳電池，這種電池與最先進(jìn)的鋰電池相比具有競爭力。此外，胺作為一個(gè)分子促進(jìn)劑，在反應(yīng)中不被消耗。

問題解決的關(guān)鍵是開發(fā)合適的電解質(zhì)系統(tǒng)，Khurram解釋說。在這一概念的初步證明研究中，他們決定使用非水電解質(zhì)，因?yàn)樗鼤?huì)限制可用的反應(yīng)途徑，因此更容易表征反應(yīng)并確定其可行性。他們選擇的胺類材料目前用于CCS應(yīng)用，但以前沒有應(yīng)用于電池中。

研究人員表示，這一早期系統(tǒng)尚未進(jìn)行優(yōu)化，還需要進(jìn)一步開發(fā)。首先，電池的循環(huán)壽命僅限于10次充放電循環(huán)，因此需要更多的研究來提高電池的可再充電性并防止電池組件的退化。Gallant說：“鋰——二氧化碳電池還需要數(shù)年時(shí)間才能成為可行的產(chǎn)品”，因?yàn)檫@項(xiàng)研究只涵蓋了使電池具有實(shí)用性的幾項(xiàng)必要進(jìn)展中的一項(xiàng)。

但根據(jù)Gallant的說法，這個(gè)概念提供了巨大的潛力。人們普遍認(rèn)為碳捕獲對(duì)于實(shí)現(xiàn)減少溫室氣體排放的全球目標(biāo)至關(guān)重要，但目前還沒有經(jīng)過證實(shí)的、長期的方法來處理或使用所有產(chǎn)生的二氧化碳。地下地質(zhì)處置仍然是主要的處理方式，但這種方法仍然有些未經(jīng)證實(shí)，可能在它容納量方面會(huì)受到限制。另外它還需要額外的能量用于鉆孔和泵送。

研究人員還在致力于研究開發(fā)一種連續(xù)運(yùn)行的工藝，該工藝將在壓力下使用穩(wěn)定的二氧化碳流，而不是預(yù)先加載的材料，從而只要電池中供應(yīng)二氧化碳，其就能夠提供穩(wěn)定的電力輸出。最終，他們希望將其納入一個(gè)綜合系統(tǒng)，一方面可以捕獲發(fā)電廠排放的二氧化碳，另一方面又可以轉(zhuǎn)化為可用于電池的電化學(xué)材料。“這是將二氧化碳作為有用產(chǎn)品封存的一種方式。”Gallant說。