De toepassing van batterijen is van zeer groot belang. Stroombatterijen vormen de kern van elektrificatie in de transportsector en kunnen indirect een aanzienlijke vermindering van de uitstoot van kooldioxide bevorderen; de toepassing van batterijen in de energieopslagsector kan de stabiliteit en betrouwbaarheid van de levering van hernieuwbare energie garanderen.
Maar hoe maken we batterijen goedkoop, met een hoge energiedichtheid en een langere levensduur? Wetenschappers zijn constant aan het onderzoeken en verschillende technische routes laten ook hun magie zien. Lithium-ion batterijen zijn momenteel de mainstream.
Nu is er een nieuwe technologie die niet alleen een batterij-energiedichtheid heeft die meer dan 7 keer zo hoog is als die van traditionele lithium-ion batterijen, maar ook kooldioxide kan fixeren in carbonaat en koolstof terwijl er elektrische energie wordt afgegeven. Het zijn lithium-kooldioxide batterijen (Li-CO2 batterijen).
Lithium-kooldioxide batterijen hebben de dubbele voordelen van energieopslag en koolstofvastlegging, wat kan worden omschreven als "twee vliegen in één klap".
Dit nieuwe elektrochemische energieopslagsysteem met brede toepassingsmogelijkheden heeft sinds de introductie de onderzoeksinteresse van wetenschappelijke onderzoekers gewekt.
De ontwikkeling en toepassing van elke nieuwe technologie moet echter stap voor stap worden geïmplementeerd. De onderzoekers zeiden dat de ontwikkeling van lithium-kooldioxide batterijen nog in de beginfase zit. Zo is de productiemethode van de belangrijkste katalysator nog relatief traag en inefficiënt. Het is noodzakelijk om efficiënte elektro-katalysatoren te vinden en hun reactiemechanismen diepgaand te begrijpen.
Daarom hebben de Universiteit van Surrey, Imperial College London en de Universiteit van Peking onlangs een nieuw elektrochemisch testplatform ontwikkeld dat kan helpen bij het versnellen van de evaluatie en ontwikkeling van lithium-kooldioxide batterij-katalysatoren. In vergelijking met traditionele methoden is deze nieuwe methode uiterst kosteneffectief, efficiënt en controleerbaar, en het wordt verwacht dat het de problemen zal overwinnen waarmee de ontwikkeling en toepassing van lithium-kooldioxide batterijen te maken heeft.
Het verleden en heden van lithium-kooldioxide batterijen
Secundaire (oplaadbare) lithium-ion batterijen in de moderne zin werden geboren in 1983, wat Dr. Akira Yoshino, een sleutelfiguur in het bevorderen van de ontwikkeling van lithium-ion batterijen in die tijd, ook in staat stelde de Nobelprijs voor de Scheikunde te winnen.
Later, om te voldoen aan de gebruikseisen van meer apparatuur en beperkingen, bleven onderzoekers investeren in onderzoek naar lithium-zuurstof (Li-O2) batterijen (dwz lithium-lucht batterijen). De huidige lithium-kooldioxide batterijen zijn ook op deze basis ontwikkeld.
Lithium-kooldioxide batterijen werken volgens het principe dat lithium-ionen tijdens het opladen van de batterij van de positieve elektrode van de batterij via de elektrolyt naar de negatieve elektrode bewegen. De koolstof die als negatieve elektrode wordt gebruikt, heeft een gelaagde structuur met veel microporiën. De lithium-ionen die de negatieve elektrode bereiken, worden ingebed in de microporiën van de koolstoflaag. Daarom geldt: hoe meer lithium-ionen worden ingebed, hoe hoger de laadcapaciteit.
Op dezelfde manier ontsnappen tijdens het gebruik (ontlading) van de batterij de lithium-ionen die zijn ingebed in de koolstoflaag van de negatieve elektrode en bewegen ze terug naar de positieve elektrode. Hoe meer lithium-ionen terugkeren naar de positieve elektrode, hoe hoger de ontladingscapaciteit.
Als een oplaadbare batterij met een groot ontwikkelingspotentieel hebben lithium-kooldioxide batterijen een extreem hoge energiedichtheid, en batterijen met een hogere energiedichtheid kunnen meer elektriciteit opslaan per volume-eenheid.
Het is bekend dat de huidige energiedichtheid van reguliere lithium-ijzerfosfaat batterijen onder de 200 Wh/kg ligt, en de energiedichtheid van ternaire lithium batterijen tussen de 200-300 Wh/kg. Sun Shigang, een academicus van de Chinese Academie van Wetenschappen, zei dat de huidige energiedichtheid van lithium-ion batterijen dicht bij het plafond ligt. De theoretische energiedichtheid van lithium-kooldioxide batterijen is zo hoog als 1876 Wh/kg, wat meer dan 7 keer zo hoog is als die van gewone lithium-ion batterijen.
Niet alleen dat, de omkeerbare elektrochemische reactie in Li-CO2 batterijen: 4Li + 3CO2 =2Li2CO3 + C (E0 = 2,80 V vs Li/Li+) is ook een nieuwe manier om CO2 te fixeren. Traditionele CO2-fixatiemethoden vereisen een continue energietoevoer. Als deze energietoevoer gebaseerd is op de productiecapaciteit van fossiele brandstoffen, komt er meer CO2 vrij. Ter vergelijking: lithium-kooldioxide batterijen slaan koolstof op een veel schonere manier op.
Er kan worden gezegd dat lithium-kooldioxide batterijen zowel een belangrijke batterijtechnologie als een belangrijke koolstofvastleggingstechnologie zijn die een dubbele bijdrage kunnen leveren aan de bestrijding van klimaatverandering.
Maar het bevindt zich nog in de beginfase van ontwikkeling. Er zijn veel factoren die de prestaties van lithium-kooldioxide batterijen beïnvloeden.
Tijdens het reactieproces van de batterij is lithiumcarbonaat (Li2CO3), als het belangrijkste ontladingsproduct, een isolator met een brede bandgap, waardoor de ontbindingskinetiek tijdens het opladen vertraagt; tijdens de cyclus ondergaat Li2CO3 onvolledige ontleding en onomkeerbare transformatie. De vorming van en de ophoping van vaste carbonaatmaterialen op het kathode-oppervlak zullen ook leiden tot een aanzienlijke afname van de elektrochemische prestaties tot de "plotselinge dood" van de Li-CO2 batterij.
Om dit probleem aan te pakken, is het ontwikkelen van bidirectionele katalysatoren om de conversiereactiekinetiek tijdens ontlading en opladen te versnellen de sleutel tot het verbeteren van de energie-efficiëntie en de levensduur van Li-CO2 batterijen.
Wat is het nut van een multifunctioneel elektrochemisch testplatform?
Om de bijbehorende uitdagingen aan te pakken, hebben onderzoekers van de Universiteit van Surrey, Imperial College London en de Universiteit van Peking een multifunctioneel elektrochemisch testplatform op een chip ontworpen dat meerdere taken tegelijkertijd kan uitvoeren. Dit platform vergemakkelijkt de screening van elektro-katalysatoren, de optimalisatie van de bedrijfsomstandigheden en de studie van CO2-conversie in hoogwaardige lithium-CO2 batterijen.
De onderzoekers zeiden dat traditionele Li-CO2 batterij-katalysatoronderzoeksmethoden voornamelijk afhankelijk zijn van trial-and-error methoden en karakterisering/testtechnieken met één modus, die tijdrovend en inefficiënt zijn.
Daarom is het noodzakelijk om een vereenvoudigd multifunctioneel testplatform op te zetten om snel katalysatoren te screenen en multi-mode karakteriseringstests uit te voeren in korte tijd en op nanoschaal ruimtelijke resolutie, om zo de opkomende technologie van Li-CO2 batterijen uitgebreider te begrijpen en de ontwikkeling ervan te versnellen.
Het "lab-on-a-chip LCB platform" dat door de onderzoekers is ontwikkeld en ontworpen, heeft de functies van elektrochemisch testen met drie elektroden, katalysatorscreening en in-situ detectie van chemische samenstelling en morfologische evolutie.
Met behulp van dit platform evalueerden de onderzoekers systematisch het potentieel van een reeks kandidaat-katalysatoren om transformatiereacties te bevorderen en bestudeerden ze hun omkeerbaarheid en reactiepaden.
Kandidaat-katalysatoren zijn onder meer platina, goud, zilver, koper, ijzer en nikkel in een toestand van nanodeeltjes met hoge dichtheid. Uiteindelijk werd vastgesteld dat wanneer platina-nanodeeltjes als katalysatoren worden gebruikt, de batterij duidelijke minimale polarisatieprestaties (0,55 V) heeft, de hoogste omkeerbaarheid en een nieuw reactiepad, wat superieure prestaties aantoont. Dit experimentele resultaat onthult ook het ontwikkelingspotentieel van lithium-kooldioxide batterijen.
De onderzoekers zeggen dat het lithium-kooldioxide batterij (LCB) platform ook een belangrijke rol kan spelen bij verder onderzoek, waaronder:
(1) Screenen van elektrolyten met stabiele oplosmiddelen voor lithium-kooldioxide batterijreacties door microfluïdische systemen te integreren of verschillende quasi-vaste elektrolyten op het platform te patroonen;
(2) Verschillende lithium-anodebeschermingsstrategieën onderzoeken of andere geprelithieerde anodes screenen voor lithium-kooldioxide batterijen.
"Het ontwikkelen van nieuwe technologieën voor negatieve emissies is cruciaal. Ons lab-on-a-chip platform zal een sleutelrol spelen bij het bereiken hiervan. Het kan ook worden toegepast op andere systemen zoals metaal-lucht batterijen, brandstofcellen en foto-elektrochemische cellen." Imperial London zei Yulong Zhao, senior docent aan het college.
Over het algemeen wordt verwacht dat het ontwerp van het LCB-platform de problemen zal overwinnen waarmee de ontwikkeling van lithium-kooldioxide batterijen te maken heeft, waaronder snelle screening van katalysatoren, onderzoek naar reactiemechanismen en praktische toepassingen van nanotechnologie tot geavanceerde koolstofverwijderingstechnologie.