Применение аккумуляторов имеет очень важное значение. Силовые аккумуляторы являются основой электрификации в области транспорта и могут косвенно способствовать значительному сокращению выбросов углекислого газа; применение аккумуляторов в области накопления энергии может обеспечить стабильность и надежность электроснабжения от возобновляемых источников.
Но как сделать аккумуляторы дешевыми, с высокой плотностью энергии и более длительным сроком службы? Ученые постоянно исследуют, и различные технические решения также демонстрируют свою магию. Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время являются основными.
Сейчас существует новая технология, которая не только имеет плотность энергии аккумулятора, в 7 раз превышающую плотность традиционных литий-ионных аккумуляторов, но также может фиксировать углекислый газ в карбонат и углерод, одновременно выдавая электрическую энергию. Это литий-углекислотные аккумуляторы (Li-CO2 Batteries).
Литий-углекислотные аккумуляторы обладают двойными преимуществами накопления энергии и секвестрации углерода, что можно описать как «убить двух зайцев одним выстрелом».
Эта новая электрохимическая система накопления энергии с широкими перспективами применения привлекла исследовательский интерес ученых с момента ее создания.
Однако разработка и применение любой новой технологии должны осуществляться поэтапно. Исследователи заявили, что разработка литий-углекислотных аккумуляторов все еще находится на ранних стадиях. Например, метод производства самого важного катализатора все еще относительно медленный и неэффективный. Необходимо найти эффективные электрокатализаторы и глубоко понять механизмы их реакции.
Поэтому Университет Суррея, Имперский колледж Лондона и Пекинский университет недавно разработали новую электрохимическую испытательную платформу, которая может помочь ускорить оценку и разработку катализаторов для литий-углекислотных аккумуляторов. По сравнению с традиционными методами, этот новый метод чрезвычайно экономичен, эффективен и управляем, и, как ожидается, позволит преодолеть проблемы, стоящие перед разработкой и применением литий-углекислотных аккумуляторов.
Прошлое и настоящее литий-углекислотных аккумуляторов
Вторичные (перезаряжаемые) литий-ионные аккумуляторы в современном понимании появились в 1983 году, что также позволило доктору Акире Ёсино, ключевой фигуре в продвижении разработки литий-ионных аккумуляторов в то время, получить Нобелевскую премию по химии.
Позже, чтобы удовлетворить требования к использованию большего количества оборудования и ограничений, исследователи продолжали инвестировать в исследования литий-кислородных (Li-O2) аккумуляторов (т. е. литий-воздушных аккумуляторов). Сегодняшние литий-углекислотные аккумуляторы также разработаны на этой основе.
Литий-углекислотные аккумуляторы работают по принципу, согласно которому при зарядке аккумулятора ионы лития перемещаются от положительного электрода аккумулятора через электролит к отрицательному электроду. Углерод, используемый в качестве отрицательного электрода, имеет слоистую структуру со множеством микропор. Ионы лития, достигающие отрицательного электрода, встраиваются в микропоры углеродного слоя. Поэтому чем больше встроено ионов лития, тем выше зарядная емкость.
Точно так же во время использования (разряда) аккумулятора ионы лития, встроенные в углеродный слой отрицательного электрода, выходят и возвращаются к положительному электроду. Чем больше ионов лития возвращается к положительному электроду, тем выше разрядная емкость.
Как перезаряжаемый аккумулятор с большим потенциалом развития, литий-углекислотные аккумуляторы имеют чрезвычайно высокую плотность энергии, а аккумуляторы с более высокой плотностью энергии могут хранить больше электроэнергии на единицу объема.
По имеющимся данным, текущая плотность энергии основных литий-железо-фосфатных аккумуляторов составляет менее 200 Втч/кг, а плотность энергии тройных литиевых аккумуляторов составляет от 200 до 300 Втч/кг. Сунь Шиган, академик Китайской академии наук, заявил, что текущая плотность энергии литий-ионных аккумуляторов близка к пределу. Теоретическая плотность энергии литий-углекислотных аккумуляторов составляет 1876 Втч/кг, что более чем в 7 раз превышает плотность обычных литий-ионных аккумуляторов.
Не только это, обратимая электрохимическая реакция в Li-CO2 аккумуляторах: 4Li + 3CO2 =2Li2CO3 + C (E0 = 2,80 В против Li/Li+) также является новым способом фиксации CO2. Традиционные методы фиксации CO2 требуют непрерывной подачи энергии. Если эта подача энергии основана на производственных мощностях ископаемого топлива, будет выброшено больше CO2. Для сравнения, литий-углекислотные аккумуляторы секвестрируют углерод гораздо более чистым способом.
Можно сказать, что литий-углекислотные аккумуляторы являются одновременно ключевой аккумуляторной технологией и важной технологией секвестрации углерода, которая может внести двойной вклад в борьбу с изменением климата.
Но она все еще находится на ранних стадиях разработки. Существует много факторов, влияющих на производительность литий-углекислотных аккумуляторов.
В процессе реакции аккумулятора карбонат лития (Li2CO3), являющийся основным продуктом разряда, является широкозонным изолятором, что приведет к замедлению его кинетики разложения во время зарядки; во время цикла Li2CO3 подвергается неполному разложению и необратимому превращению. Образование и накопление твердых карбонатных материалов на поверхности катода также приведут к значительному снижению электрохимических характеристик вплоть до «внезапной смерти» Li-CO2 аккумулятора.
Чтобы решить эту проблему, разработка двунаправленных катализаторов для ускорения кинетики реакции превращения во время разряда и зарядки является ключом к повышению энергоэффективности и срока службы Li-CO2 аккумуляторов.
Какова польза от многофункциональной электрохимической испытательной платформы?
Чтобы решить соответствующие задачи, исследователи из Университета Суррея, Имперского колледжа Лондона и Пекинского университета разработали многофункциональную электрохимическую испытательную платформу на чипе, которая может выполнять несколько задач одновременно. Эта платформа облегчает скрининг электрокатализаторов, оптимизацию рабочих условий и изучение преобразования CO2 в высокопроизводительных литий-CO2 аккумуляторах.
Исследователи заявили, что традиционные методы исследования катализаторов Li-CO2 аккумуляторов в основном полагаются на методы проб и ошибок и методы одномоментной характеризации/испытаний, которые отнимают много времени и неэффективны.
Поэтому необходимо создать упрощенную многофункциональную испытательную платформу для быстрого скрининга катализаторов и проведения многорежимных испытаний характеризации за короткое время и в наноразмерном пространственном разрешении, чтобы более всесторонне понять новую технологию Li-CO2 аккумуляторов и ускорить ее разработку.
Разработанная и спроектированная исследователями «лаборатория на чипе LCB platform» имеет функции трехэлектродного электрохимического тестирования, скрининга катализаторов и in-situ обнаружения химического состава и морфологической эволюции.
Используя эту платформу, исследователи систематически оценили потенциал ряда кандидатов в катализаторы для продвижения реакций превращения и изучили их обратимость и пути реакции.
Кандидаты в катализаторы включают платину, золото, серебро, медь, железо и никель в состоянии наночастиц высокой плотности. Наконец, было обнаружено, что при использовании наночастиц платины в качестве катализаторов аккумулятор имеет очевидные минимальные поляризационные характеристики (0,55 В), наивысшую обратимость и новый путь реакции, демонстрируя превосходные характеристики. Этот экспериментальный результат также раскрывает потенциал развития литий-углекислотных аккумуляторов.
Исследователи говорят, что платформа литий-углекислотных аккумуляторов (LCB) также может сыграть важную роль в дальнейших исследованиях, в том числе:
(1) Скрининг электролитов со стабильными растворителями для реакций литий-углекислотных аккумуляторов путем интеграции микрофлюидных систем или нанесения различных квазитвердых электролитов на платформу;
(2) Изучение различных стратегий защиты литиевого анода или скрининг других прелитированных анодов для литий-углекислотных аккумуляторов.
«Разработка новых технологий для отрицательных выбросов имеет решающее значение. Наша платформа «лаборатория на чипе» сыграет ключевую роль в достижении этой цели. Она также может быть применена к другим системам, таким как металл-воздушные аккумуляторы, топливные элементы и фотоэлектрохимические элементы», — заявил Юлун Чжао, старший преподаватель колледжа Имперского колледжа Лондона.
В целом, ожидается, что конструкция платформы LCB позволит преодолеть проблемы, стоящие перед разработкой литий-углекислотных аккумуляторов, включая быстрый скрининг катализаторов, исследования механизмов реакции и практическое применение от нанонауки до передовых технологий удаления углерода.