L'applicazione delle batterie è di grande importanza.Le batterie di potenza sono il nucleo dell'elettrificazione nel settore dei trasporti e possono indirettamente promuovere la riduzione significativa delle emissioni di anidride carbonicaL'applicazione delle batterie nel campo dello stoccaggio dell'energia può garantire la stabilità e l'affidabilità dell'approvvigionamento di energia da fonti rinnovabili.
Ma come facciamo a rendere le batterie economiche, ad alta densità energetica e con una durata di vita più lunga?Le batterie agli ioni di litio sono attualmente la corrente principale.
Ora c'è una nuova tecnologia che non solo ha una densità di energia della batteria che è più di 7 volte quella delle tradizionali batterie agli ioni di litio,ma può anche fissare l' anidride carbonica in carbonato e carbonio mentre produce energia elettricaSi tratta di batterie di anidride carbonica al litio (Li-CO2).
Le batterie di anidride carbonica al litio hanno il duplice vantaggio di immagazzinare energia e sequestrare carbonio, che può essere descritto come "uccidere due uccelli con una pietra".
Questo nuovo sistema di accumulo di energia elettrochimica con ampie prospettive di applicazione ha attirato l'interesse di ricerca dei ricercatori scientifici fin dall'inizio.
Tuttavia, lo sviluppo e l'applicazione di ogni nuova tecnologia devono essere realizzati passo dopo passo.I ricercatori hanno detto che lo sviluppo delle batterie di litio e anidride carbonica è ancora nelle sue prime fasiPer esempio, il metodo di produzione del catalizzatore più importante è ancora relativamente lento ed inefficiente.È necessario trovare elettrocatalisti efficienti e comprendere a fondo i loro meccanismi di reazione.
Pertanto, l'Università del 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 catalystsRispetto ai metodi tradizionali, questo nuovo metodo è estremamente conveniente, efficiente e controllabile.e dovrebbe superare i problemi posti dallo sviluppo e dall'applicazione delle batterie al litio e anidride carbonica.
Il passato e il presente delle batterie al litio e all'anidride carbonica
Le batterie secondarie (ricaricabili) agli ioni di litio nel senso moderno sono nate nel 1983, che ha anche permesso al dottor Akira Yoshino,una figura chiave nella promozione dello sviluppo delle batterie agli ioni di litio in quel momento, per vincere il Premio Nobel di Chimica.
Successivamente, al fine di soddisfare i requisiti di utilizzo di più attrezzature e vincoli, i ricercatori hanno continuato a investire nella ricerca sulle batterie al litio-ossigeno (Li-O2) (cioè le batterie al litio-aria).Anche le batterie di anidride carbonica al litio di oggi sono state sviluppate su questa base.
Le batterie al diossido di carbonio al litio funzionano secondo il principio che quando la batteria è carica, gli ioni di litio si muovono dall'elettrodo positivo della batteria attraverso l'elettrolita all'elettrodo negativo.Il carbonio utilizzato come elettrodo negativo ha una struttura stratificata con molti micropori.Pertanto,, più ioni di litio sono incorporati, maggiore è la capacità di ricarica.
Allo stesso modo, durante l'uso (scarica) della batteria, gli ioni di litio incorporati nello strato di carbonio dell'elettrodo negativo sfuggono e ritornano all'elettrodo positivo.Più ioni di litio che ritornano all'elettrodo positivo, maggiore è la capacità di scarico.
In quanto batterie ricaricabili 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.
Si ritiene che la densità di energia attuale delle batterie di fosfato di ferro di litio tradizionali sia inferiore a 200Wh/kg e la densità di energia delle batterie di litio ternarie sia compresa tra 200-300Wh/kg.Sun Shigang, accademico dell'Accademia cinese delle scienze, ha detto che l'attuale densità di energia delle batterie agli ioni di litio è vicina al tetto.La densità energetica teorica delle batterie di anidride carbonica al litio è di 1876Wh/kg., che è 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 la CO2.I metodi tradizionali di fissazione del CO2 richiedono un'approvvigionamento continuo di energiaSe l'approvvigionamento di energia è basato sulla capacità di produzione di combustibili fossili, verrà emessa più CO2.
Si può affermare che le batterie al litio e all'anidride carbonica sono sia una tecnologia chiave delle batterie che un'importante tecnologia di sequestro del carbonio che può dare un doppio contributo alla lotta contro i cambiamenti climatici.
Ma è ancora in fase iniziale di sviluppo e ci sono molti fattori che influenzano le prestazioni delle batterie di anidride carbonica e di litio.
Durante il processo di reazione della batteria, il carbonato di litio (Li2CO3), come prodotto principale di scarica, è un isolante a banda larga, che farà rallentare la sua cinetica di decomposizione durante la ricarica;durante il ciclo, il Li2CO3 subisce una decomposizione incompleta e una trasformazione irreversibile. 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.
Per risolvere questo problema,Lo sviluppo di catalizzatori bidirezionali per accelerare la cinetica delle reazioni di conversione durante la scarica e la ricarica è la chiave per migliorare l'efficienza energetica e la durata del ciclo delle batterie Li-CO2.
Qual è l'utilità di una piattaforma di prova elettrochimica multifunzione?
Per affrontare le corrispondenti sfide, i ricercatori dell'Università del Surrey,L'Imperial College di Londra e l'Università di Pechino hanno progettato una piattaforma di test elettrochimici multifunzionale su chip in grado di eseguire più compiti simultaneamenteQuesta piattaforma facilita lo screening degli elettrocatalisti, l'ottimizzazione delle condizioni di funzionamento e lo studio della conversione di CO2 nelle batterie lithium-CO2 ad alte prestazioni.
I ricercatori hanno affermato che i tradizionali metodi di esplorazione dei catalizzatori delle batterie Li-CO2 si basano principalmente su metodi di prova ed errore e tecniche di caratterizzazione/prova in singolo modo.che richiedono tempo e sono inefficienti.
Pertanto,è necessario istituire una piattaforma di test multifunzionale semplificata per lo screening rapido dei catalizzatori e la conduzione di test di caratterizzazione multi-mode in breve tempo e risoluzione spaziale su scala nanometrica, per comprendere in modo più completo l'emergente tecnologia 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.
Usando 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 le vie di reazione.
I catalizzatori candidati includono platino, oro, argento, rame, ferro e nichel in uno stato di nanoparticelle ad alta densità.la batteria ha un'ovvia prestazione di polarizzazione minima (0.55 V), la più alta reversibilità, e una nuova via di reazione, che dimostra prestazioni superiori.
I ricercatori affermano che la piattaforma della batteria di anidride carbonica al litio (LCB) potrebbe anche svolgere un ruolo importante in ulteriori esplorazioni, tra cui:
(1) Screening degli elettroliti con solventi stabili per le reazioni delle batterie di anidride carbonica-litio integrando sistemi microfluidici o modellando diversi elettroliti quasi solidi sulla piattaforma;
(2) Esplorare diverse strategie di protezione degli anodi al litio o selezionare altri anodi prelitizzati per le batterie a diossido di carbonio e litio.
"Lo sviluppo di nuove tecnologie per le emissioni negative è fondamentale. La nostra piattaforma lab-on-a-chip svolgerà un ruolo chiave per raggiungere questo obiettivo.celle a combustibile e celle fotoelettrochimiche." ha detto Yulong Zhao, docente senior del college.
Nel complesso, la progettazione della piattaforma LCB dovrebbe superare i problemi posti dallo sviluppo di batterie di anidride carbonica al litio, compreso lo screening rapido dei catalizzatori,ricerca sui meccanismi di reazione, e applicazioni pratiche dalle nano-scienze alle tecnologie all'avanguardia per la rimozione del carbonio.