麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)的新技術(shù)可以使用從發(fā)電廠(chǎng)捕獲的二氧化碳來(lái)制造新型鋰電池。

該掃描電子顯微鏡圖像顯示了由麻省理工學(xué)院研究人員制造的二氧化碳基電池在電池放電后的碳陰極。由圖可以看出，碳化合物在表面上的累積，與原始的原始表面(插圖)相比，碳化合物是由電廠(chǎng)排放產(chǎn)生的碳酸鹽物質(zhì)組成的。

麻省理工學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)的一種新型電池可以部分地由發(fā)電廠(chǎng)捕獲的二氧化碳制成。這種電池不是試圖使用金屬催化劑將二氧化碳轉(zhuǎn)化為專(zhuān)用化學(xué)品，那是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。這種電池是在電池放電時(shí)連續(xù)地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為固體碳酸鹽。

雖然這種新型電池仍然以早期研究為基礎(chǔ)，并且還遠(yuǎn)未投入商業(yè)應(yīng)用，但新的電池配方可以為定制電化學(xué)二氧化碳轉(zhuǎn)化反應(yīng)開(kāi)辟新的途徑，最終其可能有助于減少溫室氣體向大氣的排放。

電池由研究人員設(shè)計(jì)的鋰金屬，碳和電解質(zhì)制成。機(jī)械工程助理教授BetarGallant，博士生AlizaKhurram和博士后MingfuHe將他們的科研成果于今日發(fā)表在了“Joule”雜志上。

目前，為了捕獲、釋放和儲(chǔ)存二氧化碳，配備碳捕獲系統(tǒng)的發(fā)電廠(chǎng)通常需要消耗其產(chǎn)生的高達(dá)30%的電力來(lái)完成上述操作。研究人員表示，任何可以降低捕獲過(guò)程成本的東西，或者能產(chǎn)生有價(jià)值的最終產(chǎn)品的東西，都會(huì)顯著改變這種系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

然而，“二氧化碳并不是很活躍，”Gallant解釋說(shuō)，所以“試圖找到新的反應(yīng)途徑很重要。”通常情況下，使二氧化碳在電化學(xué)條件下表現(xiàn)出顯著活性的唯一方法是以高電壓的形式輸入大量能源，這可能是昂貴且低效的過(guò)程。理想情況下，氣體會(huì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生有價(jià)值的東西，例如有用的化學(xué)品或燃料。然而，通常在水中進(jìn)行的電化學(xué)轉(zhuǎn)化工作仍然受到高能量輸入和所產(chǎn)生化學(xué)品的選擇性差的阻礙。

Gallant及其同事，他們的專(zhuān)長(zhǎng)是非水基電化學(xué)反應(yīng)(例如鋰基電池)，他們研究了二氧化碳捕獲化學(xué)是否可用于制造二氧化碳負(fù)載的電解質(zhì)(電解質(zhì)是電池的三個(gè)基本部分之一)，然后可以在電池放電期間使用捕獲的氣體來(lái)提供功率輸出。

該方法不同于現(xiàn)在用于碳捕獲和封存(簡(jiǎn)稱(chēng)為CCS)的方法將二氧化碳釋放回氣相以進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存。該領(lǐng)域通常著眼于研究通過(guò)化學(xué)吸收過(guò)程從發(fā)電廠(chǎng)捕獲二氧化碳的方法，然后將其儲(chǔ)存在地下地層中或?qū)⑵浠瘜W(xué)性地改變成燃料或化學(xué)原料。

相反，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新方法，可以直接在電廠(chǎng)廢物流中使用，為電池的一個(gè)主要組件制造材料。

雖然最近人們對(duì)鋰-二氧化碳電池的開(kāi)發(fā)越來(lái)越感興趣，因?yàn)樵撾姵卦诜烹娺^(guò)程中使用這種氣體作為反應(yīng)物，但二氧化碳的低反應(yīng)性通常需要使用金屬催化劑。這些金屬催化劑不僅費(fèi)用昂貴，而且我們對(duì)其功能的了解仍然知之甚少，同時(shí)反應(yīng)難以控制。

然而，Gallant和她的同事們通過(guò)將氣體加入液態(tài)中，找到了一種僅使用碳電極就能實(shí)現(xiàn)電化學(xué)二氧化碳轉(zhuǎn)化的方法。關(guān)鍵是將二氧化碳加入到胺溶液中來(lái)預(yù)活化二氧化碳。

“我們第一次展示的是，這種技術(shù)可以激活二氧化碳，從而更容易進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。”Gallant說(shuō)。“這兩種化學(xué)物質(zhì)：水胺和非水電池電解質(zhì)，通常不能一起使用。但我們發(fā)現(xiàn)它們的結(jié)合產(chǎn)生了新的有趣的行為，其可以提高放電電壓，并允許二氧化碳的持續(xù)轉(zhuǎn)換。”

他們通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)表明，這種方法確實(shí)有效，并且可以生產(chǎn)出具有電壓和容量的鋰——二氧化碳電池，這種電池與最先進(jìn)的鋰電池相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。此外，胺作為一個(gè)分子促進(jìn)劑，在反應(yīng)中不被消耗。

問(wèn)題解決的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)合適的電解質(zhì)系統(tǒng)，Khurram解釋說(shuō)。在這一概念的初步證明研究中，他們決定使用非水電解質(zhì)，因?yàn)樗鼤?huì)限制可用的反應(yīng)途徑，因此更容易表征反應(yīng)并確定其可行性。他們選擇的胺類(lèi)材料目前用于CCS應(yīng)用，但以前沒(méi)有應(yīng)用于電池中。

研究人員表示，這一早期系統(tǒng)尚未進(jìn)行優(yōu)化，還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。首先，電池的循環(huán)壽命僅限于10次充放電循環(huán)，因此需要更多的研究來(lái)提高電池的可再充電性并防止電池組件的退化。Gallant說(shuō)：“鋰——二氧化碳電池還需要數(shù)年時(shí)間才能成為可行的產(chǎn)品”，因?yàn)檫@項(xiàng)研究只涵蓋了使電池具有實(shí)用性的幾項(xiàng)必要進(jìn)展中的一項(xiàng)。

但根據(jù)Gallant的說(shuō)法，這個(gè)概念提供了巨大的潛力。人們普遍認(rèn)為碳捕獲對(duì)于實(shí)現(xiàn)減少溫室氣體排放的全球目標(biāo)至關(guān)重要，但目前還沒(méi)有經(jīng)過(guò)證實(shí)的、長(zhǎng)期的方法來(lái)處理或使用所有產(chǎn)生的二氧化碳。地下地質(zhì)處置仍然是主要的處理方式，但這種方法仍然有些未經(jīng)證實(shí)，可能在它容納量方面會(huì)受到限制。另外它還需要額外的能量用于鉆孔和泵送。

研究人員還在致力于研究開(kāi)發(fā)一種連續(xù)運(yùn)行的工藝，該工藝將在壓力下使用穩(wěn)定的二氧化碳流，而不是預(yù)先加載的材料，從而只要電池中供應(yīng)二氧化碳，其就能夠提供穩(wěn)定的電力輸出。最終，他們希望將其納入一個(gè)綜合系統(tǒng)，一方面可以捕獲發(fā)電廠(chǎng)排放的二氧化碳，另一方面又可以轉(zhuǎn)化為可用于電池的電化學(xué)材料。“這是將二氧化碳作為有用產(chǎn)品封存的一種方式。”Gallant說(shuō)。