La aplicación de baterías es de gran importancia.Las baterías de potencia son el núcleo de la electrificación en el ámbito del transporte y pueden promover indirectamente la reducción significativa de las emisiones de dióxido de carbonoLa aplicación de baterías en el campo del almacenamiento de energía puede garantizar la estabilidad y fiabilidad del suministro de energía renovable.
Pero, ¿cómo podemos hacer baterías baratas, con alta densidad energética y una vida útil más larga?Las baterías de iones de litio son actualmente la corriente principal.
Ahora hay una nueva tecnología que no sólo tiene una densidad de energía de la batería que es más de 7 veces la de las baterías tradicionales de iones de litio,pero también puede fijar el dióxido de carbono en carbonato y carbono mientras que la salida de energía eléctricaSe trata de baterías de litio y dióxido de carbono (Li-CO2).
Las baterías de dióxido de carbono y litio tienen la doble ventaja de almacenar energía y secuestrar carbono, lo que puede describirse como "matar dos pájaros con una piedra".
Este nuevo sistema de almacenamiento de energía electroquímica con amplias perspectivas de aplicación ha atraído el interés de investigación de los investigadores científicos desde sus inicios.
Sin embargo, el desarrollo y la aplicación de cualquier nueva tecnología deben implementarse paso a paso.Los investigadores dijeron que el desarrollo de las baterías de litio y dióxido de carbono todavía está en sus primeras etapasPor ejemplo, el método de producción del catalizador más importante sigue siendo relativamente lento e ineficiente.Es necesario encontrar electrocatalisadores eficientes y comprender profundamente sus mecanismos de reacción.
Por lo tanto, la Universidad 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 catalystsEn comparación con los métodos tradicionales, este nuevo método es extremadamente rentable, eficiente y controlable.y se espera que supere los problemas que enfrenta el desarrollo y la aplicación de baterías de litio y dióxido de carbono.
El pasado y el presente de las baterías de litio y dióxido de carbono
Las baterías de iones de litio secundarias (recargables) en el sentido moderno nacieron en 1983, lo que también permitió al Dr. Akira Yoshino,una figura clave en la promoción del desarrollo de baterías de iones de litio en ese momento, para ganar el Premio Nobel de Química.
Más tarde, con el fin de satisfacer los requisitos de uso de más equipos y limitaciones, los investigadores continuaron invirtiendo en la investigación de baterías de litio-oxígeno (Li-O2) (es decir, baterías de litio-aire).Las actuales baterías de litio y dióxido de carbono también se desarrollan sobre esta base.
Las baterías de dióxido de carbono de litio funcionan según el principio de que cuando se carga la batería, los iones de litio se mueven desde el electrodo positivo de la batería a través del electrolito hasta el electrodo negativo.El carbono utilizado como electrodo negativo tiene una estructura en capas con muchos microporos.Por lo tanto, cuanto más iones de litio estén incrustados, mayor será la capacidad de carga.
Del mismo modo, durante el uso (descarga) de la batería, los iones de litio incrustados en la capa de carbono del electrodo negativo se escapan y vuelven al electrodo positivo.Cuanto más iones de litio que regresan al electrodo positivo, cuanto mayor sea la capacidad de descarga.
Como batería recargable con un gran potencial de desarrollo, las baterías de litio y dióxido de carbono tienen una densidad de energía extremadamente alta.y las baterías con mayor densidad de energía pueden almacenar más electricidad por unidad de volumen.
Se entiende que la densidad energética actual de las baterías convencionales de fosfato de hierro de litio es inferior a 200Wh/kg, y la densidad energética de las baterías ternaras de litio se sitúa entre 200 y 300Wh/kg.Sun Shigang. ¿ Qué quieres decir?, académico de la Academia de Ciencias de China, dijo que la densidad de energía actual de las baterías de iones de litio está cerca del techo.La densidad teórica de energía de las baterías de litio y dióxido de carbono es tan alta como 1876Wh/kg, que es más de 7 veces la de las baterías de iones de litio ordinarias.
No solo eso, la reacción electroquímica reversible en las baterías de Li-CO2: 4Li + 3CO2 = 2Li2CO3 + C (E0 = 2,80 V vs Li/Li+) también es una nueva forma de fijar el CO2.Los métodos tradicionales de fijación de CO2 requieren un suministro continuo de energíaSi este suministro de energía se basa en la capacidad de producción de combustibles fósiles, se emitirá más CO2. En comparación, las baterías de litio y dióxido de carbono secuestran carbono de una manera mucho más limpia.
Se puede decir que las baterías de litio y dióxido de carbono son a la vez una tecnología clave de baterías y una importante tecnología de secuestro de carbono que puede contribuir de manera doble a combatir el cambio climático.
Pero todavía está en las primeras etapas de desarrollo. Hay muchos factores que afectan el rendimiento de las baterías de litio y dióxido de carbono.
Durante el proceso de reacción de la batería, el carbonato de litio (Li2CO3), como principal producto de descarga, es un aislante de banda ancha, lo que hará que su cinética de descomposición se ralentice durante la carga;durante el ciclo, Li2CO3 sufre una descomposición incompleta y una transformación irreversible. 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,El desarrollo de catalizadores bidireccionales para acelerar la cinética de las reacciones de conversión durante la descarga y la carga es clave para mejorar la eficiencia energética y la vida útil de las baterías de Li-CO2..
¿Cuál es el uso de una plataforma de ensayo electroquímica multifuncional?
Para abordar los desafíos correspondientes, investigadores de la Universidad de Surrey,El Imperial College de Londres y la Universidad de Pekín diseñaron una plataforma de pruebas electroquímicas multifuncional en un chip que puede realizar múltiples tareas simultáneamenteEsta plataforma facilita la detección de electrocatalisadores, la optimización de las condiciones de funcionamiento y el estudio de la conversión de CO2 en baterías de litio-CO2 de alto rendimiento.
Los investigadores dijeron que los métodos tradicionales de exploración de catalizadores de baterías de Li-CO2 se basan principalmente en métodos de prueba y error y técnicas de caracterización/prueba de un solo modo.que requieren mucho tiempo e ineficiencia.
Por lo tanto,Es necesario establecer una plataforma de ensayo multifuncional simplificada para examinar rápidamente los catalizadores y realizar ensayos de caracterización multimodo en poco tiempo y resolución espacial a nanoescala., con el fin de comprender de manera más completa la tecnología emergente de las baterías de Li-CO2 y acelerar su desarrollo.
La "plataforma LCB de laboratorio en un chip" desarrollada y diseñada por los investigadores tiene las funciones de ensayo electroquímico de tres electrodos, detección de catalizadores,y detección in situ de composición química y evolución morfológica.
Usando esta plataforma,Los investigadores evaluaron sistemáticamente el potencial de una serie de catalizadores candidatos para promover reacciones de transformación y estudiaron su reversibilidad y vías de reacción..
Los catalizadores candidatos incluyen platino, oro, plata, cobre, hierro y níquel en un estado de nanopartículas de alta densidad.la batería tiene un rendimiento de polarización mínimo obvio (0Este resultado experimental también revela el potencial de desarrollo de las baterías de litio y dióxido de carbono.
Los investigadores dicen que la plataforma de la batería de dióxido de carbono de litio (LCB) también podría desempeñar un papel importante en futuras exploraciones, incluyendo:
(1) Se seleccionan electrolitos con disolventes estables para las reacciones de las baterías de dióxido de carbono y litio mediante la integración de sistemas microfluídicos o el diseño de diferentes electrolitos cuasi sólidos en la plataforma;
(2) Explorar diferentes estrategias de protección del ánodo de litio o seleccionar otros ánodos prelitiados para baterías de litio-dióxido de carbono.
"El desarrollo de nuevas tecnologías para las emisiones negativas es crucial.Nuestra plataforma de laboratorio en un chip desempeñará un papel clave para lograrlo.Pilas de combustible y pilas fotoelectroquímicas." dijo Yulong Zhao, profesor principal de la universidad.
En general, se espera que el diseño de la plataforma LCB supere los problemas que plantea el desarrollo de baterías de litio y dióxido de carbono, incluida la detección rápida de catalizadores,Investigación sobre los mecanismos de reacción, y aplicaciones prácticas desde la nanociencia hasta la tecnología de eliminación de carbono de vanguardia.