A aplicação de baterias é de grande importância.As baterias de potência são o núcleo da eletrificação no domínio dos transportes e podem indirectamente promover a redução significativa das emissões de dióxido de carbonoA aplicação de baterias no campo do armazenamento de energia pode garantir a estabilidade e a fiabilidade do fornecimento de energia renovável.
Mas como fazer baterias baratas, com alta densidade energética e maior duração? Os cientistas estão constantemente explorando, e várias rotas técnicas também mostram sua magia.As baterias de iões de lítio são actualmente a corrente principal.
Agora há uma nova tecnologia que não só tem uma densidade de energia da bateria que é mais de 7 vezes a das baterias tradicionais de íons de lítio,Mas também pode fixar dióxido de carbono em carbonato e carbono enquanto produz energia elétricaSão baterias de dióxido de carbono e lítio (Li-CO2 Batteries).
As baterias de dióxido de carbono e lítio têm a dupla vantagem de armazenar energia e sequestrar carbono, o que pode ser descrito como "matar dois pássaros de uma cajadada".
Este novo sistema de armazenamento de energia eletroquímica, com amplas perspectivas de aplicação, atraiu o interesse de investigação dos investigadores científicos desde o seu início.
No entanto, o desenvolvimento e a aplicação de qualquer nova tecnologia devem ser implementados passo a passo.Os pesquisadores disseram que o desenvolvimento de baterias de dióxido de carbono e lítio ainda está em seus estágios iniciaisPor exemplo, o método de produção do catalisador mais importante ainda é relativamente lento e ineficiente.É necessário encontrar eletrocatalisadores eficientes e compreender profundamente os seus mecanismos de reacção.
Portanto, a Universidade de 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 catalystsEm comparação com os métodos tradicionais, este novo método é extremamente rentável, eficiente e controlado.e deverá superar os problemas enfrentados pelo desenvolvimento e aplicação de baterias de dióxido de carbono e de lítio.
O passado e o presente das baterias de lítio e dióxido de carbono
As baterias de iões de lítio secundárias (recarregáveis) no sentido moderno nasceram em 1983, o que também permitiu ao Dr. Akira Yoshino,uma figura chave na promoção do desenvolvimento de baterias de íons de lítio na época, para ganhar o Prémio Nobel de Química.
Mais tarde, a fim de atender aos requisitos de utilização de mais equipamentos e restrições, os investigadores continuaram a investir em pesquisas sobre baterias de lítio-oxigénio (Li-O2) (ou seja, baterias de lítio-ar).As atuais baterias de lítio e dióxido de carbono também foram desenvolvidas sobre esta base..
As baterias de dióxido de carbono de lítio funcionam sob o princípio de que, quando a bateria é carregada, os íons de lítio se movem do elétrodo positivo da bateria através do eletrólito para o elétrodo negativo.O carbono usado como eletrodo negativo tem uma estrutura em camadas com muitos microporos. Os íons de lítio que chegam ao eletrodo negativo estão incorporados nos microporos da camada de carbono.Por conseguinte,, quanto mais iões de lítio incorporados, maior a capacidade de carga.
Da mesma forma, durante a utilização (descarga) da bateria, os íons lítio incorporados na camada de carbono do elétrodo negativo escapam e voltam para o elétrodo positivo.Quanto mais iões de lítio que retornam ao elétrodo positivo, quanto maior a capacidade de descarga.
Como uma bateria recarregável com um grande potencial de desenvolvimento, as baterias de dióxido de carbono de lítio têm uma densidade de energia extremamente elevada.e baterias com maior densidade de energia podem armazenar mais eletricidade por unidade de volume.
Compreende-se que a densidade de energia atual das principais baterias de lítio-fosfato de ferro é inferior a 200Wh/kg e a densidade de energia das baterias de lítio ternárias está entre 200-300Wh/kg.Sun Shigang, acadêmico da Academia Chinesa de Ciências, disse que a atual densidade de energia das baterias de íons de lítio está próxima do teto.A densidade energética teórica das baterias de dióxido de carbono e lítio é tão elevada como 1876Wh/kg, que é mais de 7 vezes a das baterias de iões de lítio comuns.
Não só isso, a reação eletroquímica reversível em baterias Li-CO2: 4Li + 3CO2 = 2Li2CO3 + C (E0 = 2,80 V vs Li/Li+) é também uma nova forma de fixar o CO2.Os métodos tradicionais de fixação de CO2 exigem um fornecimento contínuo de energiaSe este fornecimento de energia for baseado na capacidade de produção de combustíveis fósseis, mais CO2 será emitido. Em comparação, as baterias de dióxido de carbono de lítio sequestram o carbono de forma muito mais limpa.
Pode-se dizer que as baterias de dióxido de carbono e de lítio são uma tecnologia chave de baterias e uma importante tecnologia de retenção de carbono que pode contribuir duplamente para o combate às alterações climáticas.
Há muitos fatores que afetam o desempenho das baterias de lítio e dióxido de carbono.
Durante o processo de reação da bateria, o carbonato de lítio (Li2CO3), como principal produto de descarga, é um isolante de banda larga, o que faz com que a sua cinética de decomposição diminua durante o carregamento;durante o ciclo, o Li2CO3 sofre uma decomposição incompleta e uma transformação irreversível. 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.
Para resolver este problema,O desenvolvimento de catalisadores bidirecionais para acelerar a cinética da reação de conversão durante a descarga e o carregamento é fundamental para melhorar a eficiência energética e a vida útil das baterias Li-CO2.
Qual é a utilização de uma plataforma de ensaio eletroquímico multifuncional?
Para enfrentar os desafios correspondentes, investigadores da Universidade de Surrey,O Imperial College de Londres e a Universidade de Pequim projetaram uma plataforma de teste eletroquímico multifuncional em chip que pode executar várias tarefas simultaneamenteEsta plataforma facilita a triagem do eletrocatalisador, a otimização das condições de funcionamento e o estudo da conversão de CO2 em baterias de lítio-CO2 de alto desempenho.
Os pesquisadores disseram que os métodos tradicionais de exploração de catalisadores de baterias Li-CO2 dependem principalmente de métodos de tentativa e erro e técnicas de caracterização/teste de modo único,que consomem tempo e são ineficientes.
Por conseguinte,É necessário estabelecer uma plataforma de ensaio multifuncional simplificada para rastrear rapidamente os catalisadores e realizar testes de caracterização multimodo em curto prazo e resolução espacial em nanoescala., a fim de compreender de forma mais abrangente a tecnologia emergente das baterias Li-CO2 e acelerar o seu desenvolvimento.
A "plataforma LCB laboratorial em chip" desenvolvida e concebida pelos investigadores tem funções de ensaio eletroquímico a três elétrodos, triagem de catalisadores,e detecção in situ da composição química e evolução morfológica.
Usando esta plataforma,Os investigadores avaliaram sistematicamente o potencial de uma série de catalisadores candidatos para promover reações de transformação e estudaram a sua reversibilidade e vias de reacção..
Os catalisadores candidatos incluem platina, ouro, prata, cobre, ferro e níquel num estado de nanopartículas de alta densidade.A bateria tem um desempenho de polarização mínimo óbvio (0.55 V), a maior reversibilidade, e um novo caminho de reação, demonstrando um desempenho superior.
Os pesquisadores dizem que a plataforma de bateria de dióxido de carbono de lítio (LCB) também poderia desempenhar um papel importante em novas explorações, incluindo:
(1) Eletrólitos de triagem com solventes estáveis para reações de baterias de dióxido de carbono de lítio, integrando sistemas microfluídicos ou desenhando diferentes eletrólitos quase sólidos na plataforma;
(2) Explorar diferentes estratégias de protecção dos ânodos de lítio ou seleccionar outros ânodos pré-líticos para baterias de dióxido de carbono de lítio.
"O desenvolvimento de novas tecnologias para as emissões negativas é crucial. A nossa plataforma de laboratório em um chip desempenhará um papel fundamental para conseguir isso.Células de combustível e células fotoelectroquímicas." Imperial London disse Yulong Zhao, professor sênior na faculdade.
Em geral, espera-se que a concepção da plataforma LCB permita superar os problemas enfrentados pelo desenvolvimento de baterias de dióxido de carbono e de lítio, incluindo a triagem rápida de catalisadores,investigação sobre mecanismos de reacção, e aplicações práticas da nanociência à tecnologia de remoção de carbono de ponta.