Die Anwendung von Batterien ist von großer Bedeutung.Energiebatterien sind der Kern der Elektrifizierung im Verkehrsbereich und können indirekt zur erheblichen Verringerung der Kohlendioxidemissionen beitragenDie Anwendung von Batterien im Bereich der Energiespeicherung kann die Stabilität und Zuverlässigkeit der Stromversorgung aus erneuerbaren Energien gewährleisten.
Aber wie machen wir Batterien billig, mit hoher Energiedichte und einer längeren Lebensdauer?Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit der Hauptstrom.
Jetzt gibt es eine neue Technologie, die nicht nur eine Batterie-Energie-Dichte hat, die mehr als 7 mal höher ist als bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien,aber kann auch Kohlendioxid in Carbonat und Kohlenstoff fixieren und gleichzeitig elektrische Energie erzeugenEs handelt sich um Lithium-CO2-Batterien (Li-CO2-Batterien).
Lithium-Kohlendioxid-Batterien haben den doppelten Vorteil, Energie zu speichern und Kohlenstoff zu speichern, was man als "Zweier mit einer Klappe töten" bezeichnen kann.
Dieses neue elektrochemische Energiespeichersystem mit breiten Anwendungsperspektiven hat seit seiner Gründung das Forschungsinteresse wissenschaftlicher Forscher geweckt.
Die Entwicklung und Anwendung jeder neuen Technologie muss jedoch schrittweise erfolgen.Die Forscher sagten, die Entwicklung von Lithium-CO2-Batterien stehe noch in einem frühen Stadium.So ist beispielsweise die Herstellungsmethode des wichtigsten Katalysators noch relativ langsam und ineffizient.Es ist notwendig, effiziente Elektrokatalysatoren zu finden und ihre Reaktionsmechanismen zu verstehen.
Deshalb hat die Universität von 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 catalystsIm Vergleich zu herkömmlichen Methoden ist diese neue Methode äußerst kostengünstig, effizient und kontrollierbar.und soll die Probleme bei der Entwicklung und Anwendung von Lithium-CO2-Batterien überwinden.
Vergangenheit und Gegenwart der Lithium-CO2-Batterien
Sekundäre (wiederaufladbare) Lithium-Ionen-Batterien im modernen Sinne wurden 1983 geboren, was auch Dr. Akira Yoshino,eine Schlüsselfigur bei der Förderung der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien zu dieser Zeit, um den Nobelpreis für Chemie zu gewinnen.
Später investierten die Forscher, um den Anwendungsbedarf von mehr Ausrüstung und Einschränkungen zu erfüllen, weiterhin in die Forschung an Lithium-Sauerstoff-Batterien (Li-O2-Batterien).Auch die heutigen Lithium-CO2-Batterien wurden auf dieser Grundlage entwickelt..
Lithium-CO2-Batterien funktionieren nach dem Prinzip, dass Lithium-Ionen, wenn die Batterie geladen wird, sich von der positiven Elektrode der Batterie durch den Elektrolyt zur negativen Elektrode bewegen.Der als negative Elektrode verwendete Kohlenstoff hat eine Schichtstruktur mit vielen Mikroporen. Die Lithium-Ionen, die die negative Elektrode erreichen, sind in die Mikroporen der Kohlenstoffschicht eingebettet.Daher, je mehr Lithium-Ionen eingebettet sind, desto höher ist die Ladefähigkeit.
Auf die gleiche Weise entweichen während der Verwendung (Entladung) der Batterie die in die Kohlenstoffschicht der negativen Elektrode eingebetteten Lithiumionen und bewegen sich zurück zur positiven Elektrode.Je mehr Lithium-Ionen zur positiven Elektrode zurückkehren,, je höher die Entladekapazität.
Als wiederaufladbare Batterie mit großem Entwicklungspotenzial haben Lithium-CO2-Batterien eine extrem hohe Energiedichte.und Batterien mit höherer Energiedichte können mehr Strom pro Volumeneinheit speichern.
Es wird davon ausgegangen, dass die derzeitige Energiedichte der gängigen Lithium-Eisenphosphatbatterien unter 200Wh/kg liegt und die Energiedichte der ternären Lithiumbatterien zwischen 200-300Wh/kg liegt.Sun Shigang ist hier., ein Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, dass die aktuelle Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien nahe der Decke liegt.Die theoretische Energiedichte von Lithium-CO2-Batterien beträgt 1876Wh/kg.Dies ist mehr als das Siebenfache der normalen Lithium-Ionen-Batterien.
Nicht nur das, die reversible elektrochemische Reaktion in Li-CO2-Batterien: 4Li + 3CO2 = 2Li2CO3 + C (E0 = 2,80 V vs. Li/Li+) ist auch eine neue Methode zur Fixierung von CO2.Traditionelle Methoden zur Fixierung von CO2 erfordern eine kontinuierliche EnergieversorgungWenn diese Energieversorgung auf der Basis fossiler Brennstoffkapazitäten erzeugt wird, wird mehr CO2 emittiert. Im Vergleich dazu speichern Lithium-CO2-Batterien Kohlenstoff auf viel sauberere Weise.
Es kann gesagt werden, dass Lithium-CO2-Batterien sowohl eine Schlüsselbatterietechnologie als auch eine wichtige Kohlenstoffbindungstechnologie darstellen, die einen doppelten Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels leisten kann.
Es gibt viele Faktoren, die die Leistung von Lithium-CO2-Batterien beeinflussen.
Während des Reaktionsprozesses der Batterie ist Lithiumcarbonat (Li2CO3) als Hauptentladungserzeugnis ein Breitband-Isolator, wodurch die Zersetzungskinetik während des Ladevorgangs verlangsamt wird.während des Zyklus, Li2CO3 unterliegt einer unvollständigen Zersetzung und einer irreversiblen Transformation. 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.
Um dieses Problem zu lösen,Die Entwicklung von bidirektionalen Katalysatoren zur Beschleunigung der Konversionsreaktionskinetik während der Entladung und Ladezeit ist der Schlüssel zur Verbesserung der Energieeffizienz und der Lebensdauer von Li-CO2-Batterien.
Was ist der Zweck einer multifunktionalen elektrochemischen Prüfplattform?
Um die entsprechenden Herausforderungen zu bewältigen, haben Forscher der Universität von SurreyDas Imperial College London und die Pekinger Universität haben eine multifunktionale elektrochemische Testplattform entwickelt, die mehrere Aufgaben gleichzeitig ausführen kann.Diese Plattform erleichtert das Screening von Elektrokatalysatoren, die Optimierung der Betriebsbedingungen und die Untersuchung der Umwandlung von CO2 in Hochleistungs-Lithium-CO2-Batterien.
Die Forscher gaben an, dass sich die traditionellen Methoden zur Erforschung von Li-CO2-Batteriekatalysatoren hauptsächlich auf Versuchs- und Fehlermethoden und Einzelmodus-Charakterisierung/Prüftechniken stützen.die zeitaufwendig und ineffizient sind.
DaherEs ist notwendig, eine vereinfachte multifunktionale Prüfplattform zu schaffen, um Katalysatoren schnell zu screenen und mehrmodische Charakterisierungstests in kurzer Zeit und auf nanoskaliger räumlicher Auflösung durchzuführen, um die aufstrebende Technologie von Li-CO2-Batterien umfassender zu verstehen und ihre Entwicklung zu beschleunigen.
Die von den Forschern entwickelte und konzipierte "Lab-on-a-Chip LCB-Plattform" hat die Funktionen der dreielektrodischen elektrochemischen Prüfung, Katalysator-Screening,und In-situ-Erkennung der chemischen Zusammensetzung und der morphologischen Entwicklung.
Mit dieser Plattform,Die Forscher haben systematisch das Potenzial einer Reihe von Kandidatenkatalysatoren zur Förderung von Transformationsreaktionen bewertet und ihre Reversibilität und Reaktionswege untersucht..
Als Kandidaten für Katalysatoren gelten Platin, Gold, Silber, Kupfer, Eisen und Nickel in einem Nano-Dichte-Zustand.Die Batterie hat eine offensichtliche minimale Polarisierungsleistung (0.55 V), die höchste Reversibilität und ein neuer Reaktionsweg, der eine überlegene Leistung aufweist.
Die Forscher sagen, dass die Lithium-CO2-Batterie (LCB) -Plattform auch eine wichtige Rolle bei weiteren Erkundungen spielen könnte, einschließlich:
(1) Elektrolyte mit stabilen Lösungsmitteln für Lithium-CO2-Batteriereaktionen durch Integration von Mikrofluidensystemen oder durch Musterbildung verschiedener Quasi-fester Elektrolyte auf der Plattform abschneiden;
(2) Verschiedene Lithium-Anoden-Schutzstrategien zu erforschen oder andere prälithierte Anoden für Lithium-CO2-Batterien zu prüfen.
"Die Entwicklung neuer Technologien für negative Emissionen ist von entscheidender Bedeutung.Unsere Lab-on-a-Chip-Plattform wird dabei eine Schlüsselrolle spielen.Brennstoffzellen und photoelektrochemische Zellen." Imperial London sagte Yulong Zhao, Seniordozent an der Hochschule.
Insgesamt wird erwartet, dass die Konzeption der LCB-Plattform die Probleme bei der Entwicklung von Lithium-CO2-Batterien, einschließlich des schnellen Screening von Katalysatoren, überwinden wird.Forschung über Reaktionsmechanismen, und praktische Anwendungen von der Nanowissenschaft bis hin zur modernsten Kohlenstoffentfernungstechnologie.