L'applicazione delle batterie è di grande importanza. Le batterie di alimentazione sono il fulcro dell'elettrificazione nel settore dei trasporti e possono promuovere indirettamente una significativa riduzione delle emissioni di anidride carbonica; l'applicazione delle batterie nel campo dell'accumulo di energia può garantire la stabilità e l'affidabilità dell'alimentazione da fonti di energia rinnovabile.
Ma come possiamo rendere le batterie economiche, ad alta densità energetica e con una durata maggiore? Gli scienziati sono in costante ricerca e varie strade tecniche stanno mostrando la loro magia. Le batterie agli ioni di litio sono attualmente la soluzione principale.
Ora c'è una nuova tecnologia che non solo ha una densità energetica della batteria superiore di oltre 7 volte a quella delle tradizionali batterie agli ioni di litio, ma può anche fissare l'anidride carbonica in carbonato e carbonio mentre emette energia elettrica. Si tratta delle batterie al litio-anidride carbonica (batterie Li-CO2).
Le batterie al litio-anidride carbonica hanno i doppi vantaggi dell'accumulo di energia e del sequestro del carbonio, il che può essere descritto come "prendere due piccioni con una fava."
Questo nuovo sistema di accumulo elettrochimico di energia con ampie prospettive applicative ha attirato l'interesse di ricerca dei ricercatori scientifici sin dalla sua nascita.
Tuttavia, lo sviluppo e l'applicazione di qualsiasi nuova tecnologia devono essere implementati passo dopo passo. I ricercatori hanno affermato che lo sviluppo delle batterie al litio-anidride carbonica è ancora nelle sue prime fasi. Ad esempio, il metodo di produzione del catalizzatore più importante è ancora relativamente lento e inefficiente. È necessario trovare elettrocatalizzatori efficienti e comprendere a fondo i loro meccanismi di reazione.
Pertanto, l'Università del Surrey, l'Imperial College di Londra e l'Università di Pechino hanno recentemente sviluppato una nuova piattaforma di test elettrochimici che può aiutare ad accelerare la valutazione e lo sviluppo dei catalizzatori per batterie al litio-anidride carbonica. Rispetto ai metodi tradizionali, questo nuovo metodo è estremamente conveniente, efficiente e controllabile e dovrebbe superare i problemi affrontati dallo sviluppo e dall'applicazione delle batterie al litio-anidride carbonica.
Il passato e il presente delle batterie al litio-anidride carbonica
Le batterie secondarie (ricaricabili) agli ioni di litio nel senso moderno sono nate nel 1983, il che ha anche permesso al Dr. Akira Yoshino, una figura chiave nella promozione dello sviluppo delle batterie agli ioni di litio in quel momento, di vincere il Premio Nobel per la Chimica.
Successivamente, per soddisfare i requisiti di utilizzo di più apparecchiature e vincoli, i ricercatori hanno continuato a investire nella ricerca sulle batterie litio-ossigeno (Li-O2) (ovvero, batterie litio-aria). Le batterie al litio-anidride carbonica di oggi sono state sviluppate anche su questa base.
Le batterie al litio-anidride carbonica funzionano secondo il principio che quando la batteria è in carica, gli ioni litio si spostano dall'elettrodo positivo della batteria attraverso l'elettrolita all'elettrodo negativo. Il carbonio utilizzato come elettrodo negativo ha una struttura a strati con molti micropori. Gli ioni litio che raggiungono l'elettrodo negativo sono incorporati nei micropori dello strato di carbonio. Pertanto, più ioni litio vengono incorporati, maggiore è la capacità di carica.
Allo stesso modo, durante l'uso (scarica) della batteria, gli ioni litio incorporati nello strato di carbonio dell'elettrodo negativo fuoriescono e tornano all'elettrodo positivo. Più ioni litio tornano all'elettrodo positivo, maggiore è la capacità di scarica.
Come batteria ricaricabile con un grande potenziale di sviluppo, le batterie al litio-anidride carbonica hanno una densità energetica estremamente elevata e le batterie con una maggiore densità energetica possono immagazzinare più elettricità per unità di volume.
È noto che l'attuale densità energetica delle batterie al litio ferro fosfato tradizionali è inferiore a 200 Wh/kg e la densità energetica delle batterie al litio ternario è compresa tra 200-300 Wh/kg. Sun Shigang, un accademico dell'Accademia Cinese delle Scienze, ha affermato che l'attuale densità energetica delle batterie agli ioni di litio è vicina al limite massimo. La densità energetica teorica delle batterie al litio-anidride carbonica è di ben 1876 Wh/kg, ovvero più di 7 volte quella delle normali batterie agli ioni di litio.
Non solo, la reazione elettrochimica reversibile nelle batterie Li-CO2: 4Li + 3CO2 = 2Li2CO3 + C (E0 = 2,80 V vs Li/Li+) è anche un nuovo modo per fissare il CO2. I metodi tradizionali di fissazione del CO2 richiedono un'alimentazione energetica continua. Se questa fornitura di energia si basa sulla capacità di produzione di combustibili fossili, verrà emesso più CO2. In confronto, le batterie al litio-anidride carbonica sequestrano il carbonio in modo molto più pulito.
Si può dire che le batterie al litio-anidride carbonica siano sia una tecnologia chiave per le batterie che un'importante tecnologia di sequestro del carbonio che può dare un duplice contributo alla lotta contro il cambiamento climatico.
Ma è ancora nelle prime fasi di sviluppo. Ci sono molti fattori che influenzano le prestazioni delle batterie al litio-anidride carbonica.
Durante il processo di reazione della batteria, il carbonato di litio (Li2CO3), come principale prodotto di scarica, è un isolante a banda larga, che causerà un rallentamento della sua cinetica di decomposizione durante la carica; durante il ciclo, Li2CO3 subisce una decomposizione incompleta e una trasformazione irreversibile. La formazione e l'accumulo di materiali carbonatici solidi sulla superficie del catodo porteranno anche a una significativa diminuzione delle prestazioni elettrochimiche fino alla "morte improvvisa" della batteria Li-CO2.
Per risolvere questo problema, lo sviluppo di catalizzatori bidirezionali per accelerare la cinetica della reazione di conversione durante la scarica e la carica è la chiave per migliorare l'efficienza energetica e la durata del ciclo delle batterie Li-CO2.
A cosa serve una piattaforma di test elettrochimici multifunzionale?
Per affrontare le sfide corrispondenti, i ricercatori dell'Università del Surrey, dell'Imperial College di Londra e dell'Università di Pechino hanno progettato una piattaforma di test elettrochimici su chip multifunzionale in grado di eseguire più attività contemporaneamente. Questa piattaforma facilita lo screening degli elettrocatalizzatori, l'ottimizzazione delle condizioni operative e lo studio della conversione del CO2 nelle batterie Li-CO2 ad alte prestazioni.
I ricercatori hanno affermato che i metodi tradizionali di esplorazione dei catalizzatori per batterie Li-CO2 si basano principalmente su metodi di prova ed errore e su tecniche di caratterizzazione/test a modalità singola, che richiedono molto tempo e sono inefficienti.
Pertanto, è necessario stabilire una piattaforma di test multifunzionale semplificata per schermare rapidamente i catalizzatori e condurre test di caratterizzazione multi-modalità in breve tempo e con risoluzione spaziale nanometrica, in modo da comprendere in modo più completo la tecnologia emergente delle batterie Li-CO2 e accelerarne lo sviluppo.
La "piattaforma LCB lab-on-a-chip" sviluppata e progettata dai ricercatori ha le funzioni di test elettrochimici a tre elettrodi, screening dei catalizzatori e rilevamento in situ della composizione chimica e dell'evoluzione morfologica.
Utilizzando questa piattaforma, i ricercatori hanno valutato sistematicamente il potenziale di una serie di catalizzatori candidati per promuovere le reazioni di trasformazione e hanno studiato la loro reversibilità e i percorsi di reazione.
I catalizzatori candidati includono platino, oro, argento, rame, ferro e nichel allo stato di nanoparticelle ad alta densità. Infine, si è scoperto che quando le nanoparticelle di platino vengono utilizzate come catalizzatori, la batteria ha prestazioni di polarizzazione minime evidenti (0,55 V), la massima reversibilità e un nuovo percorso di reazione, dimostrando prestazioni superiori. Questo risultato sperimentale rivela anche il potenziale di sviluppo delle batterie al litio-anidride carbonica.
I ricercatori affermano che la piattaforma per batterie al litio-anidride carbonica (LCB) potrebbe anche svolgere un ruolo importante in ulteriori esplorazioni, tra cui:
(1) Screening di elettroliti con solventi stabili per le reazioni delle batterie al litio-anidride carbonica integrando sistemi microfluidici o modellando diversi elettroliti quasi solidi sulla piattaforma;
(2) Esplorare diverse strategie di protezione dell'anodo al litio o schermare altri anodi prelitiati per le batterie al litio-anidride carbonica.
"Lo sviluppo di nuove tecnologie per le emissioni negative è fondamentale. La nostra piattaforma lab-on-a-chip svolgerà un ruolo chiave nel raggiungimento di questo obiettivo. Può anche essere applicata ad altri sistemi come batterie metallo-aria, celle a combustibile e celle fotoelettrochimiche." ha affermato Yulong Zhao, docente senior presso il college dell'Imperial London.
Nel complesso, la progettazione della piattaforma LCB dovrebbe superare i problemi affrontati dallo sviluppo delle batterie al litio-anidride carbonica, tra cui la rapida selezione dei catalizzatori, la ricerca sui meccanismi di reazione e le applicazioni pratiche dalla nanoscienza alla tecnologia all'avanguardia per la rimozione del carbonio.