L'application des piles est d'une importance capitale.Les batteries de puissance sont au cœur de l'électrification dans le domaine des transports et peuvent indirectement contribuer à une réduction significative des émissions de dioxyde de carbone; l'application des batteries dans le domaine du stockage d'énergie peut assurer la stabilité et la fiabilité de l'approvisionnement en énergie renouvelable.
Mais comment fabriquer des batteries bon marché, à haute densité énergétique et à plus longue durée de vie?Les batteries lithium-ion sont actuellement le courant dominant.
Maintenant, il y a une nouvelle technologie qui a non seulement une densité d'énergie de la batterie qui est plus de 7 fois celle des batteries lithium-ion traditionnelles,mais peut aussi fixer le dioxyde de carbone en carbonate et carbone tout en produisant de l'énergie électriqueIl s'agit de batteries au lithium-dioxyde de carbone (batteries Li-CO2).
Les batteries au lithium-dioxyde de carbone présentent les deux avantages du stockage de l'énergie et de la séquestration du carbone, ce qui peut être décrit comme " tuer deux oiseaux d'une pierre ".
Ce nouveau système de stockage d'énergie électrochimique avec de larges perspectives d'application a attiré l'intérêt de recherche des chercheurs scientifiques depuis sa création.
Cependant, le développement et l'application de toute nouvelle technologie doivent être mis en œuvre progressivement.Les chercheurs ont déclaré que le développement des batteries lithium-dioxyde de carbone en est encore à ses débutsPar exemple, la méthode de production du catalyseur le plus important est encore relativement lente et inefficace.Il est nécessaire de trouver des électrocatalyseurs efficaces et de bien comprendre leurs mécanismes de réaction.
Par conséquent, l'Université de 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 catalystsComparée aux méthodes traditionnelles, cette nouvelle méthode est extrêmement rentable, efficace et contrôlable.et devrait résoudre les problèmes rencontrés par le développement et l'application des batteries au lithium-dioxyde de carbone.
Le passé et le présent des batteries au lithium-dioxyde de carbone
Les batteries lithium-ion secondaires (rechargeables) au sens moderne sont nées en 1983, ce qui a également permis au Dr Akira Yoshino,une figure clé dans la promotion du développement des batteries lithium-ion à cette époque, pour remporter le prix Nobel de chimie.
Plus tard, afin de répondre aux exigences d'utilisation d'un plus grand nombre d'équipements et de contraintes, les chercheurs ont continué à investir dans la recherche sur les batteries au lithium-oxygène (Li-O2) (c'est-à-dire les batteries au lithium-air).Les batteries lithium-dioxyde de carbone actuelles sont également développées sur cette base..
Les batteries au lithium dioxyde de carbone fonctionnent selon le principe que lorsque la batterie est chargée, les ions lithium se déplacent de l'électrode positive de la batterie à travers l'électrolyte à l'électrode négative.Le carbone utilisé comme électrode négative a une structure en couches avec de nombreux micropores. Les ions lithium qui atteignent l'électrode négative sont intégrés dans les micropores de la couche de carbone.C'est pourquoi, plus il y a d'ions lithium, plus la capacité de charge est élevée.
De même, lors de l'utilisation (décharge) de la batterie, les ions lithium incorporés dans la couche de carbone de l'électrode négative s'échappent et retournent à l'électrode positive.Plus il y a d' ions lithium qui retournent à l' électrode positive, plus la capacité de décharge est élevée.
En tant que batterie rechargeable avec un grand potentiel de développement, les batteries au lithium-dioxyde de carbone ont une densité d'énergie extrêmement élevée.et les batteries avec une plus grande densité d'énergie peuvent stocker plus d'électricité par unité de volume.
Il est entendu que la densité d'énergie actuelle des batteries au lithium-fer phosphate traditionnelles est inférieure à 200Wh/kg et que la densité d'énergie des batteries au lithium ternaires est comprise entre 200 et 300Wh/kg.Je suis Sun Shigang, académicien de l'Académie chinoise des sciences, a déclaré que la densité d'énergie actuelle des batteries lithium-ion est proche du plafond.La densité d'énergie théorique des batteries lithium-dioxyde de carbone est aussi élevée que 1876Wh/kg., soit plus de 7 fois celle des batteries lithium-ion ordinaires.
Non seulement cela, la réaction électrochimique réversible dans les batteries Li-CO2: 4Li + 3CO2 = 2Li2CO3 + C (E0 = 2,80 V vs Li/Li+) est également une nouvelle façon de fixer le CO2.Les méthodes traditionnelles de fixation du CO2 nécessitent une alimentation en énergie continueSi l'approvisionnement en énergie est basé sur la capacité de production de combustibles fossiles, plus de CO2 sera émis.
On peut dire que les batteries au lithium-dioxyde de carbone sont à la fois une technologie clé de batterie et une technologie importante de séquestration du carbone qui peut apporter une double contribution à la lutte contre le changement climatique.
Il existe de nombreux facteurs qui influencent les performances des batteries au lithium-dioxyde de carbone.
Au cours du processus de réaction de la batterie, le carbonate de lithium (Li2CO3), en tant que produit de décharge principal, est un isolant à large bande passante, ce qui ralentit la cinétique de sa décomposition pendant la charge;pendant le cycle, le Li2CO3 subit une décomposition incomplète et une transformation irréversible. 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.
Pour résoudre ce problème,Le développement de catalyseurs bidirectionnels pour accélérer la cinétique des réactions de conversion lors de la décharge et de la charge est essentiel pour améliorer l'efficacité énergétique et la durée de vie des batteries Li-CO2..
À quoi sert une plateforme d'essai électrochimique multifonctionnelle?
Pour relever les défis correspondants, des chercheurs de l'Université de Surrey,L'Imperial College de Londres et l'Université de Pékin ont conçu une plateforme d'essai électrochimique multifonctionnelle sur puce qui peut effectuer plusieurs tâches simultanémentCette plateforme facilite le dépistage des électrocatalyseurs, l'optimisation des conditions de fonctionnement et l'étude de la conversion du CO2 dans les batteries lithium-CO2 à haute performance.
Les chercheurs ont déclaré que les méthodes traditionnelles d'exploration des catalyseurs des batteries Li-CO2 reposent principalement sur des méthodes d'essai et d'erreur et des techniques de caractérisation/test en mode unique.qui sont longs et inefficaces.
Par conséquent,Il est nécessaire de mettre en place une plateforme d'essai multifonctionnelle simplifiée pour détecter rapidement les catalyseurs et effectuer des essais de caractérisation multimode en peu de temps et une résolution spatiale à l'échelle nanométrique., afin de mieux comprendre la technologie émergente des batteries Li-CO2 et d'accélérer son développement.
La "plateforme LCB de laboratoire sur puce" développée et conçue par les chercheurs a pour fonction de tester électrochimiquement trois électrodes, de détecter les catalyseurs, de détecter leset détection in situ de la composition chimique et de l'évolution morphologique.
En utilisant cette plateforme,Les chercheurs ont systématiquement évalué le potentiel d'une série de catalyseurs candidats pour favoriser les réactions de transformation et ont étudié leur réversibilité et leurs voies de réaction..
Les catalyseurs candidats comprennent le platine, l'or, l'argent, le cuivre, le fer et le nickel dans un état de nanoparticules à haute densité.la batterie présente une polarisation minimale évidente (0.55 V), la plus grande réversibilité, et une nouvelle voie de réaction, démontrant des performances supérieures.
Les chercheurs affirment que la plateforme de batterie au lithium-dioxyde de carbone (LCB) pourrait également jouer un rôle important dans l'exploration ultérieure, notamment:
(1) Filtrer les électrolytes avec des solvants stables pour les réactions de batteries lithium-dioxyde de carbone en intégrant des systèmes microfluidiques ou en créant des motifs de différents électrolytes quasi solides sur la plateforme;
(2) Explorer différentes stratégies de protection des anodes au lithium ou sélectionner d'autres anodes prélithifiées pour les batteries au lithium-dioxyde de carbone.
" Le développement de nouvelles technologies pour les émissions négatives est crucial. Notre plateforme de laboratoire sur puce jouera un rôle clé pour y parvenir.Piles à combustible et piles photoélectrochimiques. " a déclaré Yulong Zhao, professeur principal à l'université.
Dans l'ensemble, la conception de la plateforme LCB devrait résoudre les problèmes rencontrés par le développement de batteries au lithium-dioxyde de carbone, y compris le dépistage rapide des catalyseurs,recherche sur les mécanismes de réaction, et des applications pratiques de la nanoscience à la technologie de pointe d'élimination du carbone.