De toepassing van batterijen is van zeer groot belang.De energiebatterijen vormen de kern van de elektrificatie op het gebied van vervoer en kunnen indirect bijdragen tot een aanzienlijke vermindering van de CO2-uitstootDe toepassing van batterijen op het gebied van energieopslag kan de stabiliteit en betrouwbaarheid van de energievoorziening uit hernieuwbare bronnen waarborgen.
Maar hoe kunnen we batterijen goedkoop maken, die een hoge energie-dichtheid hebben en een langere levensduur hebben? Wetenschappers zijn voortdurend aan het onderzoeken, en verschillende technische routes tonen ook hun magie.Lithium-ionbatterijen zijn momenteel de belangrijkste.
Nu is er een nieuwe technologie die niet alleen een batterijenergie-dichtheid heeft die meer dan 7 keer zo hoog is als bij traditionele lithium-ion batterijen,maar kan ook kooldioxide vastzetten in carbonat en koolstof terwijl het elektrische energie produceertHet gaat om lithiumkooldioxidebatterijen (LiCO2-batterijen).
Lithium-koolstofdioxidebatterijen hebben de dubbele voordelen van energieopslag en koolstofbinding, wat kan worden omschreven als "twee vogels met één klap doden".
Dit nieuwe elektrochemische energieopslagsysteem met brede toepassingsmogelijkheden heeft sinds zijn oprichting de belangstelling van wetenschappelijke onderzoekers voor onderzoek gewekt.
De ontwikkeling en toepassing van nieuwe technologieën moet echter stapsgewijs worden uitgevoerd.De onderzoekers zeiden dat de ontwikkeling van lithium-koolstofdioxide batterijen nog in een vroeg stadium staatZo is bijvoorbeeld de productiemethode van de belangrijkste katalysator nog steeds relatief traag en inefficiënt.Het is noodzakelijk om efficiënte elektrocatalysatoren te vinden en hun reactiemechanismen diepgaand te begrijpen.
Daarom heeft de Universiteit van Surrey, Imperial College London and Peking University have recently developed a new electrochemical test platform that can help accelerate the evaluation and development of lithium-carbon dioxide battery catalystsIn vergelijking met traditionele methoden is deze nieuwe methode uiterst kosteneffectief, efficiënt en controleerbaar.en wordt verwacht dat de problemen die bij de ontwikkeling en toepassing van lithium-kooldioxidebatterijen worden geconfronteerd, worden overwonnen..
Het verleden en heden van lithium-kooldioxidebatterijen
In 1983 ontstonden in de moderne zin secundaire (oplaadbare) lithium-ionbatterijen, waarmee ook Dr. Akira Yoshino,een belangrijke figuur bij het bevorderen van de ontwikkeling van lithium-ionbatterijen op dat moment, om de Nobelprijs in de scheikunde te winnen.
Later, om aan de gebruiksvereisten van meer apparatuur en beperkingen te voldoen, bleven onderzoekers investeren in onderzoek naar lithium-zuurstof (Li-O2) -batterijen (d.w.z. lithium-luchtbatterijen).De huidige lithium-kooldioxidebatterijen zijn ook op deze basis ontwikkeld.
Lithiumkoolstofdioxidebatterijen werken volgens het principe dat wanneer de batterij wordt opgeladen, lithiumionen van de positieve elektrode van de batterij door het elektrolyt naar de negatieve elektrode bewegen.De koolstof die als negatieve elektrode wordt gebruikt heeft een gelaagde structuur met veel microporen.Daarom, hoe meer lithium ionen er zijn ingebed, hoe hoger de laadcapaciteit.
Op dezelfde manier ontsnappen tijdens het gebruik (ontlading) van de batterij de in de koolstoflaag van de negatieve elektrode ingebedde lithiumionen en gaan ze terug naar de positieve elektrode.Hoe meer lithiumionen terugkeren naar de positieve elektrode, hoe hoger de ontladingscapaciteit.
Als een oplaadbare batterij met een groot ontwikkelingspotentieel hebben lithium-koolstofdioxide-batterijen een extreem hoge energiedichtheid.en batterijen met een hogere energiedichtheid kunnen meer elektriciteit per volume-eenheid opslaan.
Het is duidelijk dat de huidige energiedichtheid van de reguliere lithium-yzerfosfaatbatterijen lager is dan 200Wh/kg en dat de energiedichtheid van de ternarische lithiumbatterijen tussen de 200 en 300Wh/kg ligt.Sun Shigang., een academici van de Chinese Academie van Wetenschappen, zei dat de huidige energiedichtheid van lithium-ionbatterijen dicht bij het plafond ligt.De theoretische energiedichtheid van lithium-kooldioxidebatterijen is zo hoog als 1876Wh/kg, dat is meer dan 7 keer dat 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 vast te leggen.Traditionele methoden voor het vaststellen van CO2 vereisen een continue energievoorzieningAls deze energievoorziening gebaseerd is op de productiecapaciteit van fossiele brandstoffen, zal er meer CO2 worden uitgestoten. In vergelijking hiermee vangen lithium-kooldioxidebatterijen koolstof op een veel schonere manier.
Er kan worden gezegd dat lithium-kooldioxidebatterijen zowel een belangrijke batterijtechnologie als een belangrijke koolstofbindingstechnologie zijn die een dubbele bijdrage kunnen leveren aan de bestrijding van klimaatverandering.
Er zijn veel factoren die van invloed zijn op de prestaties van lithium-kooldioxidebatterijen.
Tijdens het batterijreactieproces is lithiumcarbonaat (Li2CO3) als belangrijkste ontladingsproduct een breedbandisolator, waardoor de ontbindingskinetiek tijdens het opladen vertraagt;tijdens de cyclus, Li2CO3 ondergaat onvolledige ontbinding en onomkeerbare transformatie. The formation of and the accumulation of solid carbonate materials on the cathode surface will also lead to a significant decrease in electrochemical performance until the "sudden death" of the Li-CO2 battery.
Om dit probleem op te lossen,Het ontwikkelen van tweerichtingskatalysatoren om de conversie-reactie-kinetiek tijdens ontlading en opladen te versnellen, is de sleutel tot verbetering 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 Peking University ontwierpen een multifunctioneel elektrochemisch testplatform op een chip dat meerdere taken tegelijkertijd kan uitvoerenDit platform vergemakkelijkt het screenen van elektrocatalysatoren, het optimaliseren van de bedrijfsomstandigheden en het bestuderen van de omzetting van CO2 in hoogwaardige lithium-CO2-batterijen.
De onderzoekers zeiden dat de traditionele onderzoeksmethoden voor Li-CO2-batterijkatalysatoren voornamelijk gebaseerd zijn op proef-en-foutmethoden en enkelmodische karakterisering/testtechnieken.die tijdrovend en inefficiënt zijn.
Daarom,het is noodzakelijk een vereenvoudigd multifunctioneel testplatform op te zetten om snel katalysatoren te screenen en in korte tijd en op nanoschaal ruimtelijke resolutie multi-mode-kenmerktests uit te voeren;, om de opkomende technologie van Li-CO2-batterijen beter te begrijpen en de ontwikkeling ervan te versnellen.
Het door de onderzoekers ontwikkelde en ontworpen "lab-on-a-chip LCB-platform" heeft de functies van elektrochemische testen met drie elektroden, katalysatorscreening,en in-situ detectie van chemische samenstelling en morfologische evolutie.
Met behulp van dit platform,de onderzoekers hebben systematisch het potentieel van een reeks kandidaat-katalysatoren geëvalueerd om transformatiereacties te bevorderen en hun omkeerbaarheid en reactiepaden bestudeerd.
Tot de kandidaat-katalysatoren behoren platina, goud, zilver, koper, ijzer en nikkel in een toestand van nanodeeltjes met een hoge dichtheid.De batterij heeft een duidelijke minimale polarisatieprestatie (0.55 V), de hoogste omkeerbaarheid, en een nieuw reactiepad dat een superieure prestatie laat zien.
De onderzoekers zeggen dat het lithium-koolstofdioxide batterij (LCB) platform ook een belangrijke rol kan spelen bij verdere verkenning, waaronder:
(1) Schermen van elektrolyten met stabiele oplosmiddelen voor lithiumkoolstofdioxidebatterijreacties door het integreren van microfluïdische systemen of het opstellen van patronen van verschillende quasivaste elektrolyten op het platform;
(2) Verkenning van verschillende lithiumanodebeschermingsstrategieën of screening van andere prelithiate anoden voor lithiumkooldioxidebatterijen.
"De ontwikkeling van nieuwe technologieën voor negatieve emissies is cruciaal. Ons lab-on-a-chip-platform zal hierbij een sleutelrol spelen.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 van de ontwikkeling van lithium-koolstofdioxidebatterijen, waaronder snelle screening van katalysatoren, zal overwinnen.onderzoek naar reactiemechanismen, en praktische toepassingen van nanowetenschappen tot geavanceerde technologie voor koolstofverwijdering.