バッテリーの応用は非常に重要な意味を持っています。パワーバッテリーは輸送分野における電化の核心であり、二酸化炭素排出量の大幅な削減を間接的に促進することができます。エネルギー貯蔵分野におけるバッテリーの応用は、再生可能エネルギーの電力供給の安定性と信頼性を保証することができます。
しかし、どのようにしてバッテリーを安価で、高エネルギー密度で、長寿命にすることができるのでしょうか？科学者たちは絶えず探求しており、さまざまな技術ルートもその魔法を発揮しています。リチウムイオン電池は現在主流です。
現在、従来のリチウムイオン電池の7倍以上のエネルギー密度を持ち、電気エネルギーを出力しながら二酸化炭素を炭酸塩と炭素に固定できる新しい技術があります。それはリチウム二酸化炭素電池（Li-CO2電池）です。
リチウム二酸化炭素電池は、エネルギー貯蔵と炭素隔離という二重の利点があり、「一石二鳥」と言えます。
この幅広い応用見通しを持つ新しい電気化学エネルギー貯蔵システムは、その誕生以来、科学研究者の研究関心を集めています。
しかし、いかなる新技術の開発と応用も、段階的に実施する必要があります。研究者たちは、リチウム二酸化炭素電池の開発はまだ初期段階にあると述べています。例えば、最も重要な触媒の製造方法は、まだ比較的遅く、非効率的です。効率的な電気触媒を見つけ、その反応メカニズムを深く理解する必要があります。
したがって、サリー大学、インペリアル・カレッジ・ロンドン、北京大学は最近、リチウム二酸化炭素電池触媒の評価と開発を加速できる新しい電気化学試験プラットフォームを開発しました。従来の方式と比較して、この新しい方法は非常に費用対効果が高く、効率的で制御可能であり、リチウム二酸化炭素電池の開発と応用が直面する問題を克服することが期待されています。
リチウム二酸化炭素電池の過去と現在
現代的な意味での二次（充電可能）リチウムイオン電池は1983年に誕生し、当時リチウムイオン電池の開発を推進する主要人物であった吉野彰博士がノーベル化学賞を受賞することにもつながりました。
その後、より多くの機器と制約の使用要件を満たすために、研究者たちはリチウム酸素（Li-O2）電池（すなわち、リチウム空気電池）の研究に投資し続けました。今日のリチウム二酸化炭素電池もこの基盤の上に開発されました。
リチウム二酸化炭素電池は、電池が充電されると、リチウムイオンが電池の正極から電解質を通って負極に移動するという原理で動作します。負極として使用される炭素は、多くの微細孔を持つ層状構造をしています。負極に到達したリチウムイオンは、炭素層の微細孔に埋め込まれます。したがって、埋め込まれるリチウムイオンが多いほど、充電容量は高くなります。
同様に、電池の使用（放電）中、負極の炭素層に埋め込まれたリチウムイオンが逃げ出し、正極に戻ります。正極に戻るリチウムイオンが多いほど、放電容量は高くなります。
大きな開発ポテンシャルを持つ充電式電池として、リチウム二酸化炭素電池は非常に高いエネルギー密度を持ち、より高いエネルギー密度の電池は、単位体積あたりにより多くの電気を蓄えることができます。
現在、主流のリチウム鉄リン酸電池のエネルギー密度は200Wh/kg未満であり、三元系リチウム電池のエネルギー密度は200〜300Wh/kgの間であることが理解されています。中国科学院の院士である孫世剛氏は、リチウムイオン電池の現在のエネルギー密度は天井に近づいていると述べています。リチウム二酸化炭素電池の理論エネルギー密度は1876Wh/kgと高く、通常のリチウムイオン電池の7倍以上です。
それだけでなく、Li-CO2電池における可逆的な電気化学反応：4Li + 3CO2 =2Li2CO3 + C（E0 = 2.80 V vs Li/Li+）も、CO2を固定する新しい方法です。従来のCO2固定方法では、継続的なエネルギー供給が必要です。このエネルギー供給が化石燃料の生産能力に基づいている場合、より多くのCO2が排出されます。比較すると、リチウム二酸化炭素電池は、はるかにクリーンな方法で炭素を隔離します。
リチウム二酸化炭素電池は、気候変動との闘いに二重の貢献をすることができる、重要な電池技術であり、重要な炭素隔離技術であると言えます。
しかし、まだ開発の初期段階にあります。リチウム二酸化炭素電池の性能に影響を与える多くの要因があります。
電池反応プロセス中、主放電生成物である炭酸リチウム（Li2CO3）は、広帯域ギャップ絶縁体であり、充電中にその分解速度を遅くします。サイクル中、Li2CO3は不完全な分解と不可逆的な変換を受けます。カソード表面への固体の炭酸塩材料の形成と蓄積も、Li-CO2電池の「突然死」まで、電気化学的性能の著しい低下につながります。
この問題に対処するために、放電および充電中の変換反応速度を加速する双方向触媒を開発することが、Li-CO2電池のエネルギー効率とサイクル寿命を向上させるための鍵となります。
多機能電気化学試験プラットフォームの用途は何ですか？
対応する課題に対処するために、サリー大学、インペリアル・カレッジ・ロンドン、北京大学の研究者は、複数のタスクを同時に実行できる多機能オンチップ電気化学試験プラットフォームを設計しました。このプラットフォームは、高性能リチウムCO2電池における電気触媒スクリーニング、動作条件の最適化、CO2変換の研究を容易にします。
研究者たちは、従来のLi-CO2電池触媒探索方法は、主に試行錯誤法とシングルモード特性評価/試験技術に依存しており、時間がかかり非効率的であると述べています。
したがって、触媒を迅速にスクリーニングし、短時間でナノスケールの空間分解能でマルチモード特性評価試験を実施するための簡素化された多機能試験プラットフォームを確立し、Li-CO2電池の新興技術をより包括的に理解し、その開発を加速する必要があります。
研究者によって開発および設計された「ラボオンチップLCBプラットフォーム」は、三電極電気化学試験、触媒スクリーニング、化学組成と形態進化のその場検出の機能を備えています。
このプラットフォームを使用して、研究者たちは、変換反応を促進するための候補触媒の可能性を体系的に評価し、その可逆性と反応経路を研究しました。
候補触媒には、高密度ナノ粒子状態の白金、金、銀、銅、鉄、ニッケルが含まれます。最終的に、白金ナノ粒子を触媒として使用すると、電池は明らかな最小分極性能（0.55 V）、最高の可逆性、および新しい反応経路を示し、優れた性能を発揮することがわかりました。この実験結果は、リチウム二酸化炭素電池の開発ポテンシャルも明らかにしています。
研究者たちは、リチウム二酸化炭素電池（LCB）プラットフォームは、以下を含むさらなる探求においても重要な役割を果たす可能性があると述べています。
(1) マイクロ流体システムを統合するか、プラットフォーム上に異なる準固体電解質をパターン化することにより、リチウム二酸化炭素電池反応用の安定した溶媒を含む電解質をスクリーニングする。
(2) リチウム二酸化炭素電池用の異なるリチウムアノード保護戦略を探索するか、他の予備リチウム化アノードをスクリーニングする。
「負の排出のための新技術を開発することは非常に重要です。私たちのラボオンチッププラットフォームは、これを達成する上で重要な役割を果たすでしょう。また、金属空気電池、燃料電池、光電気化学電池などの他のシステムにも適用できます。」インペリアル・ロンドンの上級講師である趙玉龍氏は述べています。
全体として、LCBプラットフォームの設計は、触媒の迅速なスクリーニング、反応メカニズムの研究、ナノサイエンスから最先端の炭素除去技術までの実用化など、リチウム二酸化炭素電池の開発が直面する問題を克服することが期待されています。