麻省理工学院的研究人员开发的新技术可以使用从发电厂捕获的二氧化碳来制造新型锂电池。
该扫描电子显微镜图像显示了由麻省理工学院研究人员制造的二氧化碳基电池在电池放电后的碳阴极。由图可以看出，碳化合物在表面上的累积，与原始的原始表面(插图)相比，碳化合物是由电厂排放产生的碳酸盐物质组成的。
麻省理工学院研究人员开发的一种新型电池可以部分地由发电厂捕获的二氧化碳制成。这种电池不是试图使用金属催化剂将二氧化碳转化为专用化学品，那是一项极具挑战性的工作。这种电池是在电池放电时连续地将二氧化碳转化为固体碳酸盐。
虽然这种新型电池仍然以早期研究为基础，并且还远未投入商业应用，但新的电池配方可以为定制电化学二氧化碳转化反应开辟新的途径，最终其可能有助于减少温室气体向大气的排放。
电池由研究人员设计的锂金属，碳和电解质制成。机械工程助理教授BetarGallant，博士生AlizaKhurram和博士后MingfuHe将他们的科研成果于今日发表在了“Joule”杂志上。
目前，为了捕获、释放和储存二氧化碳，配备碳捕获系统的发电厂通常需要消耗其产生的高达30%的电力来完成上述操作。研究人员表示，任何可以降低捕获过程成本的东西，或者能产生有价值的最终产品的东西，都会显著改变这种系统的经济性。
然而，“二氧化碳并不是很活跃，”Gallant解释说，所以“试图找到新的反应途径很重要。”通常情况下，使二氧化碳在电化学条件下表现出显著活性的唯一方法是以高电压的形式输入大量能源，这可能是昂贵且低效的过程。理想情况下，气体会发生反应，产生有价值的东西，例如有用的化学品或燃料。然而，通常在水中进行的电化学转化工作仍然受到高能量输入和所产生化学品的选择性差的阻碍。
Gallant及其同事，他们的专长是非水基电化学反应(例如锂基电池)，他们研究了二氧化碳捕获化学是否可用于制造二氧化碳负载的电解质(电解质是电池的三个基本部分之一)，然后可以在电池放电期间使用捕获的气体来提供功率输出。
该方法不同于现在用于碳捕获和封存(简称为CCS)的方法将二氧化碳释放回气相以进行长期储存。该领域通常着眼于研究通过化学吸收过程从发电厂捕获二氧化碳的方法，然后将其储存在地下地层中或将其化学性地改变成燃料或化学原料。
相反，该团队开发了一种新方法，可以直接在电厂废物流中使用，为电池的一个主要组件制造材料。
虽然最近人们对锂-二氧化碳电池的开发越来越感兴趣，因为该电池在放电过程中使用这种气体作为反应物，但二氧化碳的低反应性通常需要使用金属催化剂。这些金属催化剂不仅费用昂贵，而且我们对其功能的了解仍然知之甚少，同时反应难以控制。
然而，Gallant和她的同事们通过将气体加入液态中，找到了一种仅使用碳电极就能实现电化学二氧化碳转化的方法。关键是将二氧化碳加入到胺溶液中来预活化二氧化碳。
“我们第一次展示的是，这种技术可以激活二氧化碳，从而更容易进行电化学反应。”Gallant说。“这两种化学物质：水胺和非水电池电解质，通常不能一起使用。但我们发现它们的结合产生了新的有趣的行为，其可以提高放电电压，并允许二氧化碳的持续转换。”
他们通过一系列实验表明，这种方法确实有效，并且可以生产出具有电压和容量的锂——二氧化碳电池，这种电池与最先进的锂电池相比具有竞争力。此外，胺作为一个分子促进剂，在反应中不被消耗。
问题解决的关键是开发合适的电解质系统，Khurram解释说。在这一概念的初步证明研究中，他们决定使用非水电解质，因为它会限制可用的反应途径，因此更容易表征反应并确定其可行性。他们选择的胺类材料目前用于CCS应用，但以前没有应用于电池中。
研究人员表示，这一早期系统尚未进行优化，还需要进一步开发。首先，电池的循环寿命仅限于10次充放电循环，因此需要更多的研究来提高电池的可再充电性并防止电池组件的退化。Gallant说：“锂——二氧化碳电池还需要数年时间才能成为可行的产品”，因为这项研究只涵盖了使电池具有实用性的几项必要进展中的一项。
但根据Gallant的说法，这个概念提供了巨大的潜力。人们普遍认为碳捕获对于实现减少温室气体排放的全球目标至关重要，但目前还没有经过证实的、长期的方法来处理或使用所有产生的二氧化碳。地下地质处置仍然是主要的处理方式，但这种方法仍然有些未经证实，可能在它容纳量方面会受到限制。另外它还需要额外的能量用于钻孔和泵送。
研究人员还在致力于研究开发一种连续运行的工艺，该工艺将在压力下使用稳定的二氧化碳流，而不是预先加载的材料，从而只要电池中供应二氧化碳，其就能够提供稳定的电力输出。最终，他们希望将其纳入一个综合系统，一方面可以捕获发电厂排放的二氧化碳，另一方面又可以转化为可用于电池的电化学材料。“这是将二氧化碳作为有用产品封存的一种方式。”Gallant说。
