Η εφαρμογή μπαταριών είναι πολύ σημαντική.Οι μπαταρίες ισχύος αποτελούν τον πυρήνα της ηλεκτροδότησης στον τομέα των μεταφορών και μπορούν έμμεσα να συμβάλουν στη σημαντική μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακαΗ εφαρμογή των μπαταριών στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας μπορεί να εξασφαλίσει τη σταθερότητα και την αξιοπιστία της παροχής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές.
Αλλά πώς μπορούμε να φτιάξουμε μπαταρίες φθηνές, με υψηλή πυκνότητα ενέργειας και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής; Οι επιστήμονες διερευνούν συνεχώς, και διάφορες τεχνικές οδούς δείχνουν επίσης τη μαγεία τους.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι σήμερα το κύριο ρεύμα.
Τώρα υπάρχει μια νέα τεχνολογία που όχι μόνο έχει πυκνότητα ενέργειας μπαταρίας που είναι πάνω από 7 φορές μεγαλύτερη από τις παραδοσιακές μπαταρίες ιόντων λιθίου,αλλά μπορεί επίσης να σταθεροποιήσει το διοξείδιο του άνθρακα σε ανθρακικό και άνθρακα ενώ παράγει ηλεκτρική ενέργειαΠρόκειται για μπαταρίες λιθίου και διοξειδίου του άνθρακα (Li-CO2 Batteries).
Οι μπαταρίες λιθίου και διοξειδίου του άνθρακα έχουν το διπλό πλεονέκτημα της αποθήκευσης ενέργειας και της δέσμευσης άνθρακα, που μπορεί να περιγραφεί ως "τρίτο με το ένα".
Αυτό το νέο σύστημα ηλεκτροχημικής αποθήκευσης ενέργειας με ευρείες προοπτικές εφαρμογής έχει προσελκύσει το ερευνητικό ενδιαφέρον των επιστημονικών ερευνητών από την αρχή της.
Ωστόσο, η ανάπτυξη και η εφαρμογή κάθε νέας τεχνολογίας πρέπει να εφαρμόζονται σταδιακά.Οι ερευνητές δήλωσαν ότι η ανάπτυξη μπαταριών λιθίου-ανθρακικού διοξειδίου του άνθρακα είναι ακόμα στα πρώτα στάδια τηςΓια παράδειγμα, η μέθοδος παραγωγής του σημαντικότερου καταλύτη εξακολουθεί να είναι σχετικά αργή και αναποτελεσματική.Είναι απαραίτητο να βρεθούν αποτελεσματικοί ηλεκτροκαταλύτες και να κατανοηθούν βαθιά οι μηχανισμοί αντίδρασης τους.
Επομένως, το Πανεπιστήμιο του 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 catalystsΗ νέα μέθοδος είναι εξαιρετικά οικονομική, αποτελεσματική και ελεγχόμενη σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους.και αναμένεται να ξεπεράσει τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η ανάπτυξη και η εφαρμογή μπαταριών λιθίου-ανθρακούχου διοξειδίου του άνθρακα.
Το παρελθόν και το παρόν των μπαταριών λιθίου και διοξειδίου του άνθρακα
Οι δευτερεύουσες (αναφορτιζόμενες) μπαταρίες ιόντων λιθίου με τη σύγχρονη έννοια γεννήθηκαν το 1983, η οποία επέτρεψε επίσης στον Δρ Akira Yoshino,βασική μορφή στην προώθηση της ανάπτυξης μπαταριών ιόντων λιθίου εκείνη την εποχή, για να κερδίσει το βραβείο Νόμπελ στη Χημεία.
Αργότερα, προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις χρήσης περισσότερου εξοπλισμού και περιορισμών, οι ερευνητές συνέχισαν να επενδύουν στην έρευνα για τις μπαταρίες λιθίου-οξυγόνου (Li-O2) (δηλαδή, μπαταρίες λιθίου-αέρα).Οι σημερινές μπαταρίες λιθίου και διοξειδίου του άνθρακα αναπτύσσονται επίσης σε αυτή τη βάση.
Οι μπαταρίες διοξειδίου του άνθρακα λειτουργούν με την αρχή ότι όταν η μπαταρία φορτίζεται, τα ιόντα του λιθίου μετακινούνται από το θετικό ηλεκτρόδιο της μπαταρίας μέσω του ηλεκτρολύτη στο αρνητικό ηλεκτρόδιο.Το άνθρακα που χρησιμοποιείται ως αρνητικό ηλεκτρόδιο έχει μια στρωμένη δομή με πολλά μικροπόρια.ΣυνεπώςΌσο περισσότερα ιόντα λιθίου είναι ενσωματωμένα, τόσο μεγαλύτερη είναι η ικανότητα φόρτισης.
Με τον ίδιο τρόπο, κατά τη διάρκεια της χρήσης (αποφόρτισης) της μπαταρίας, τα ιόντα λιθίου που ενσωματώνονται στο στρώμα άνθρακα του αρνητικού ηλεκτρόδου διαφεύγουν και επιστρέφουν στο θετικό ηλεκτρόδιο.Όσο περισσότερα ιόντα λιθίου επιστρέφουν στο θετικό ηλεκτρόδιο, όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα εκκένωσης.
Ως επαναφορτιζόμενη μπαταρία με μεγάλο αναπτυξιακό δυναμικό, οι μπαταρίες λιθίου και διοξειδίου του άνθρακα έχουν εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα ενέργειας.και οι μπαταρίες με υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα μπορούν να αποθηκεύουν περισσότερο ηλεκτρισμό ανά μονάδα όγκου.
Είναι σαφές ότι η τρέχουσα ενεργειακή πυκνότητα των συνήθων μπαταριών φωσφορικού σιδήρου λιθίου είναι κάτω από 200Wh/kg και η ενεργειακή πυκνότητα των τριτογενών μπαταριών λιθίου είναι μεταξύ 200-300Wh/kg.Σουν Σιγκάνγκ, ένας ακαδημαϊκός της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, δήλωσε ότι η τρέχουσα πυκνότητα ενέργειας των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι κοντά στο ταβάνι.Η θεωρητική ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών λιθίου-διοξειδίου του άνθρακα είναι 1876Wh/kg, που είναι περισσότερες από 7 φορές από τις συνηθισμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Όχι μόνο αυτό, η αναστρέψιμη ηλεκτροχημική αντίδραση στις μπαταρίες Li-CO2: 4Li + 3CO2 = 2Li2CO3 + C (E0 = 2,80 V vs Li/Li+) είναι επίσης ένας νέος τρόπος για τη ρύθμιση του CO2.Οι παραδοσιακές μέθοδοι σταθεροποίησης του CO2 απαιτούν συνεχή παροχή ενέργειαςΑν η προμήθεια ενέργειας αυτή βασίζεται στην παραγωγική ικανότητα ορυκτών καυσίμων, θα εκπέμπεται περισσότερο CO2.
Μπορεί να ειπωθεί ότι οι μπαταρίες λιθίου-ανθρακούχου διοξειδίου είναι τόσο βασική τεχνολογία μπαταριών όσο και σημαντική τεχνολογία δέσμευσης άνθρακα που μπορεί να συμβάλει διπλά στην καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής.
Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν τις επιδόσεις των μπαταριών λιθίου-ανθρακούδιου διοξειδίου.
Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αντίδρασης της μπαταρίας, το ανθρακικό λιθίου (Li2CO3), ως κύριο προϊόν εκκένωσης, είναι ένας μονωτής ευρείας ζώνης, ο οποίος θα προκαλέσει επιβράδυνση της κινητικότητας αποσύνθεσής του κατά τη φόρτιση.κατά τη διάρκεια του κύκλου, το Li2CO3 υφίσταται ελλιπή αποσύνθεση και μη αναστρέψιμο μετασχηματισμό. 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.
Για να αντιμετωπίσουμε αυτό το πρόβλημα,Η ανάπτυξη αμφίδρομων καταλύτες για την επιτάχυνση της κινητικότητας της αντίδρασης μετατροπής κατά την εκφόρτιση και την φόρτιση είναι το κλειδί για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης και της διάρκειας κύκλου των μπαταριών Li-CO2.
Ποια είναι η χρήση μιας πολυλειτουργικής ηλεκτροχημικής πλατφόρμας δοκιμών;
Για να αντιμετωπίσουν τις αντίστοιχες προκλήσεις, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Surrey,Το Imperial College του Λονδίνου και το Πανεπιστήμιο του Πεκίνου σχεδίασαν μια πολυλειτουργική ηλεκτροχημική πλατφόρμα δοκιμών σε τσιπ που μπορεί να εκτελέσει πολλές εργασίες ταυτόχροναΗ πλατφόρμα αυτή διευκολύνει την εξέταση ηλεκτροκαταλύτη, τη βελτιστοποίηση των συνθηκών λειτουργίας και τη μελέτη της μετατροπής CO2 σε μπαταρίες υψηλής απόδοσης λιθίου-CO2.
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι οι παραδοσιακές μεθόδοι εξερεύνησης καταλύτη μπαταρίας Li-CO2 βασίζονται κυρίως σε μεθόδους δοκιμής και σφάλματος και τεχνικές χαρακτηρισμού/εξέτασης ενιαίας λειτουργίας,που είναι χρονοβόρα και αναποτελεσματικά.
Συνεπώς,είναι αναγκαίο να δημιουργηθεί μια απλουστευμένη πλατφόρμα δοκιμών πολλαπλών λειτουργιών για την ταχεία ανίχνευση καταλυτών και τη διενέργεια δοκιμών χαρακτηρισμού πολλαπλών τρόπων σε σύντομο χρονικό διάστημα και χωρική ανάλυση σε νανοκλίμακα, ώστε να κατανοήσουμε πιο πλήρως την αναδυόμενη τεχνολογία των μπαταριών Li-CO2 και να επιταχύνουμε την ανάπτυξή της.
Η "πλατφόρμα LCB εργαστηρίου σε τσιπ" που αναπτύχθηκε και σχεδιάστηκε από τους ερευνητές έχει τις λειτουργίες ηλεκτροχημικών δοκιμών τριών ηλεκτροδίων, ελέγχου καταλύτη,και ανίχνευση in situ της χημικής σύνθεσης και της μορφολογικής εξέλιξης.
Χρησιμοποιώντας αυτή την πλατφόρμα,Οι ερευνητές αξιολόγησαν συστηματικά τη δυνατότητα μιας σειράς υποψηφίων καταλύτες να προωθήσουν αντιδράσεις μετασχηματισμού και μελέτησαν την αναστρέψιμότητά τους και τις οδούς αντίδρασης.
Οι υποψήφιοι καταλύτες περιλαμβάνουν πλατίνα, χρυσό, ασήμι, χαλκό, σίδηρο και νικέλιο σε κατάσταση νανοσωματιδίων υψηλής πυκνότητας.η μπαταρία έχει προφανή ελάχιστη απόδοση πόλωσης (0Το πείραμα αυτό αποκαλύπτει επίσης το δυναμικό ανάπτυξης των μπαταριών λιθίου-ανθρακούχου διοξειδίου του άνθρακα.
Οι ερευνητές λένε ότι η πλατφόρμα μπαταρίας λιθίου-ανθρακούχου διοξειδίου του άνθρακα (LCB) θα μπορούσε επίσης να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην περαιτέρω εξερεύνηση, συμπεριλαμβανομένων:
(1) Εξετάζουν ηλεκτρολύτες με σταθερούς διαλύτες για αντιδράσεις μπαταριών λιθίου-διοξειδίου του άνθρακα ενσωματώνοντας μικρορρευστικά συστήματα ή δημιουργώντας σχέδια σε διαφορετικά οιονεί στερεά ηλεκτρολύτα στην πλατφόρμα.
(2) Εξερευνήστε διαφορετικές στρατηγικές προστασίας ανόδου λιθίου ή διακρίνετε άλλους προλιθωμένους ανόδους για μπαταρίες λιθίου-ανθρακούχου διοξειδίου.
"Η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών για τις αρνητικές εκπομπές είναι ζωτικής σημασίας.Η πλατφόρμα laboratory-on-a-chip μας θα διαδραματίσει βασικό ρόλο στην επίτευξη αυτού.κυψέλες καυσίμου και φωτοηλεκτροχημικές κυψέλες. " Imperial London είπε ο Yulong Zhao, ανώτερος λέκτορας στο κολέγιο.
Συνολικά, ο σχεδιασμός της πλατφόρμας LCB αναμένεται να ξεπεράσει τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η ανάπτυξη μπαταριών λιθίου-ανθρακούχου διοξειδίου, συμπεριλαμβανομένου του ταχείου ελέγχου καταλύτες,Έρευνα μηχανισμών αντίδρασης, και πρακτικές εφαρμογές από τη νανοεπιστήμη στην τεχνολογία αφαίρεσης άνθρακα.