Die Anwendung von Batterien ist von sehr großer Bedeutung. Leistungsbatterien sind der Kern der Elektrifizierung im Verkehrsbereich und können indirekt eine deutliche Reduzierung der Kohlendioxidemissionen fördern; die Anwendung von Batterien im Energiespeicherbereich kann die Stabilität und Zuverlässigkeit der Stromversorgung aus erneuerbaren Energien gewährleisten.
Aber wie können wir Batterien günstig, mit hoher Energiedichte und längerer Lebensdauer herstellen? Wissenschaftler forschen ständig, und verschiedene technische Wege zeigen ebenfalls ihre Magie. Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit der Mainstream.
Jetzt gibt es eine neue Technologie, die nicht nur eine Batteriedichte aufweist, die mehr als 7-mal höher ist als die herkömmlicher Lithium-Ionen-Batterien, sondern auch Kohlendioxid in Karbonat und Kohlenstoff fixieren kann, während sie elektrische Energie ausgibt. Es sind Lithium-Kohlendioxid-Batterien (Li-CO2-Batterien).
Lithium-Kohlendioxid-Batterien haben die doppelten Vorteile der Energiespeicherung und der Kohlenstoffbindung, was man als "zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen" bezeichnen kann.
Dieses neue elektrochemische Energiespeichersystem mit breiten Anwendungsperspektiven hat seit seiner Einführung das Forschungsinteresse von Wissenschaftlern geweckt.
Die Entwicklung und Anwendung jeder neuen Technologie muss jedoch Schritt für Schritt erfolgen. Die Forscher sagten, dass sich die Entwicklung von Lithium-Kohlendioxid-Batterien noch in einem frühen Stadium befindet. Beispielsweise ist die Produktionsmethode des wichtigsten Katalysators noch relativ langsam und ineffizient. Es ist notwendig, effiziente Elektrokatalysatoren zu finden und ihre Reaktionsmechanismen eingehend zu verstehen.
Daher haben die University of Surrey, das Imperial College London und die Peking University kürzlich eine neue elektrochemische Testplattform entwickelt, die dazu beitragen kann, die Bewertung und Entwicklung von Lithium-Kohlendioxid-Batteriekatalysatoren zu beschleunigen. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden ist diese neue Methode äußerst kostengünstig, effizient und kontrollierbar und wird voraussichtlich die Probleme überwinden, mit denen die Entwicklung und Anwendung von Lithium-Kohlendioxid-Batterien konfrontiert ist.
Die Vergangenheit und Gegenwart von Lithium-Kohlendioxid-Batterien
Sekundäre (wiederaufladbare) Lithium-Ionen-Batterien im modernen Sinne wurden 1983 geboren, was es auch Dr. Akira Yoshino, einer Schlüsselfigur bei der Förderung der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien zu dieser Zeit, ermöglichte, den Nobelpreis für Chemie zu gewinnen.
Später, um den Nutzungsanforderungen von mehr Geräten und Einschränkungen gerecht zu werden, investierten die Forscher weiterhin in die Forschung an Lithium-Sauerstoff-Batterien (Li-O2-Batterien, d. h. Lithium-Luft-Batterien). Die heutigen Lithium-Kohlendioxid-Batterien werden ebenfalls auf dieser Grundlage entwickelt.
Lithium-Kohlendioxid-Batterien arbeiten nach dem Prinzip, dass sich Lithium-Ionen beim Laden der Batterie vom positiven Pol der Batterie durch den Elektrolyten zum negativen Pol bewegen. Der als negativer Pol verwendete Kohlenstoff hat eine Schichtstruktur mit vielen Mikroporen. Die Lithium-Ionen, die den negativen Pol erreichen, sind in die Mikroporen der Kohlenstoffschicht eingebettet. Je mehr Lithium-Ionen eingebettet sind, desto höher ist die Ladekapazität.
In gleicher Weise entweichen während der Nutzung (Entladung) der Batterie die in die Kohlenstoffschicht des negativen Pols eingebetteten Lithium-Ionen und bewegen sich zurück zum positiven Pol. Je mehr Lithium-Ionen zum positiven Pol zurückkehren, desto höher ist die Entladekapazität.
Als wiederaufladbare Batterie mit großem Entwicklungspotenzial weisen Lithium-Kohlendioxid-Batterien eine extrem hohe Energiedichte auf, und Batterien mit höherer Energiedichte können mehr Strom pro Volumeneinheit speichern.
Es wird davon ausgegangen, dass die aktuelle Energiedichte von Mainstream-Lithium-Eisenphosphat-Batterien unter 200 Wh/kg liegt und die Energiedichte von ternären Lithium-Batterien zwischen 200 und 300 Wh/kg liegt. Sun Shigang, ein Akademiker der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, sagte, dass die aktuelle Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien fast an der Obergrenze liegt. Die theoretische Energiedichte von Lithium-Kohlendioxid-Batterien beträgt bis zu 1876 Wh/kg, was mehr als 7-mal höher ist als die gewöhnlicher Lithium-Ionen-Batterien.
Darüber hinaus ist die reversible elektrochemische Reaktion in Li-CO2-Batterien: 4Li + 3CO2 = 2Li2CO3 + C (E0 = 2,80 V vs. Li/Li+) auch ein neuer Weg zur Fixierung von CO2. Herkömmliche CO2-Fixierungsmethoden erfordern eine kontinuierliche Energieversorgung. Wenn diese Energieversorgung auf der Produktion von fossilen Brennstoffen basiert, werden mehr CO2-Emissionen freigesetzt. Im Vergleich dazu binden Lithium-Kohlendioxid-Batterien Kohlenstoff auf eine viel sauberere Weise.
Man kann sagen, dass Lithium-Kohlendioxid-Batterien sowohl eine Schlüsselbatterietechnologie als auch eine wichtige Kohlenstoffbindungstechnologie sind, die einen doppelten Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels leisten können.
Aber sie befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Es gibt viele Faktoren, die die Leistung von Lithium-Kohlendioxid-Batterien beeinflussen.
Während des Batteriereaktionsprozesses ist Lithiumcarbonat (Li2CO3) als Hauptentladungsprodukt ein Breitbandlückenisolator, was dazu führt, dass sich seine Zersetzungskinetik während des Ladens verlangsamt; während des Zyklus erfährt Li2CO3 eine unvollständige Zersetzung und irreversible Umwandlung. Die Bildung und die Ansammlung von festen Carbonatmaterialien auf der Kathodenoberfläche führen ebenfalls zu einer deutlichen Verringerung der elektrochemischen Leistung bis zum "plötzlichen Tod" der Li-CO2-Batterie.
Um dieses Problem zu lösen, ist die Entwicklung bidirektionaler Katalysatoren zur Beschleunigung der Umwandlungsreaktionskinetik während der Entladung und des Ladens der Schlüssel zur Verbesserung der Energieeffizienz und der Lebensdauer von Li-CO2-Batterien.
Was ist der Nutzen einer multifunktionalen elektrochemischen Testplattform?
Um die entsprechenden Herausforderungen zu bewältigen, haben Forscher der University of Surrey, des Imperial College London und der Peking University eine multifunktionale elektrochemische On-Chip-Testplattform entwickelt, die mehrere Aufgaben gleichzeitig ausführen kann. Diese Plattform erleichtert das Screening von Elektrokatalysatoren, die Optimierung der Betriebsbedingungen und die Untersuchung der CO2-Umwandlung in Hochleistungs-Lithium-CO2-Batterien.
Die Forscher sagten, dass herkömmliche Methoden zur Erforschung von Li-CO2-Batteriekatalysatoren hauptsächlich auf Versuch-und-Irrtum-Methoden und Einzelmodus-Charakterisierungs-/Testtechniken basieren, die zeitaufwändig und ineffizient sind.
Daher ist es notwendig, eine vereinfachte multifunktionale Testplattform einzurichten, um Katalysatoren schnell zu screenen und Multi-Mode-Charakterisierungstests in kurzer Zeit und mit nanoskaliger räumlicher Auflösung durchzuführen, um die neue Technologie der Li-CO2-Batterien umfassender zu verstehen und ihre Entwicklung zu beschleunigen.
Die von den Forschern entwickelte und konzipierte "Lab-on-a-Chip-LCB-Plattform" verfügt über die Funktionen der elektrochemischen Drei-Elektroden-Prüfung, des Katalysatorscreenings und der In-situ-Detektion der chemischen Zusammensetzung und der morphologischen Entwicklung.
Mit dieser Plattform bewerteten die Forscher systematisch das Potenzial einer Reihe von Kandidatenkatalysatoren zur Förderung von Umwandlungsreaktionen und untersuchten ihre Reversibilität und Reaktionswege.
Zu den Kandidatenkatalysatoren gehören Platin, Gold, Silber, Kupfer, Eisen und Nickel in einem hochdichten Nanopartikelzustand. Schließlich wurde festgestellt, dass die Batterie bei Verwendung von Platin-Nanopartikeln als Katalysatoren eine offensichtliche minimale Polarisationsleistung (0,55 V), die höchste Reversibilität und einen neuen Reaktionsweg aufweist, was eine überlegene Leistung zeigt. Dieses experimentelle Ergebnis zeigt auch das Entwicklungspotenzial von Lithium-Kohlendioxid-Batterien.
Die Forscher sagen, dass die Lithium-Kohlendioxid-Batterie (LCB)-Plattform auch eine wichtige Rolle bei der weiteren Erforschung spielen könnte, einschließlich:
(1) Screening von Elektrolyten mit stabilen Lösungsmitteln für Lithium-Kohlendioxid-Batteriereaktionen durch Integration von Mikrofluidiksystemen oder Musterung verschiedener quasi-fester Elektrolyte auf der Plattform;
(2) Erforschung verschiedener Lithium-Anodenschutzstrategien oder Screening anderer vorlithierter Anoden für Lithium-Kohlendioxid-Batterien.
"Die Entwicklung neuer Technologien für negative Emissionen ist von entscheidender Bedeutung. Unsere Lab-on-a-Chip-Plattform wird dabei eine Schlüsselrolle spielen. Sie kann auch auf andere Systeme wie Metall-Luft-Batterien, Brennstoffzellen und photoelektrochemische Zellen angewendet werden." sagte Yulong Zhao, Senior Lecturer am College, Imperial London.
Insgesamt wird erwartet, dass das Design der LCB-Plattform die Probleme überwindet, mit denen die Entwicklung von Lithium-Kohlendioxid-Batterien konfrontiert ist, einschließlich des schnellen Screenings von Katalysatoren, der Erforschung von Reaktionsmechanismen und praktischen Anwendungen von der Nanowissenschaft bis zur hochmodernen Kohlenstoffentfernungstechnologie.