麻省理工大學：“吃”CO2的新型鋰基電池

麻省理工學院的研究人員開發的新技術可以使用從發電廠捕獲的二氧化碳來制造新型鋰電池。

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，碳化合物是由電廠排放出現的碳酸鹽物質組成的。

麻省理工學院研究人員開發的一種新型電池可以部分地由發電廠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化為專用化學品，那是一項極具挑戰性的工作。這種電池是在電池放電時繼續地將二氧化碳轉化為固體碳酸鹽。

雖然這種新型電池依然以早期研究為基礎，并且還遠未投入商業使用，但新的電池配方可以為定制電化學二氧化碳轉化反應開辟新的途徑，最終其可能有助于減少溫室氣體向大氣的排放。

電池由研究人員設計的鋰金屬，碳和電解質制成。機械工程助理教授BetarGallant，博士生AlizaKhurram和博士后MingfuHe將他們的科研成果于今日發表在了“Joule”雜志上。

目前，為了捕獲、釋放和儲存二氧化碳，配備碳捕獲系統的發電廠通常要消耗其出現的高達30%的電力來完成上述操作。研究人員表示，任何可以降低捕獲過程成本的東西，或者能出現有價值的最終產品的東西，都會顯著改變這種系統的經濟性。

然而，“二氧化碳并不是很活躍，”Gallant解釋說，所以“試圖找到新的反應途徑很緊要。”通常情況下，使二氧化碳在電化學條件下表現出顯著活性的唯一辦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程。理想情況下，氣體會發生反應，出現有價值的東西，例如有用的化學品或燃料。然而，通常在水中進行的電化學轉化工作依然受到高能量輸入和所出現化學品的選擇性差的妨礙。

Gallant及其同事，他們的專長是非水基電化學反應(例如鋰基電池)，他們研究了二氧化碳捕獲化學是不是可用于制造二氧化碳負載的電解質(電解質是電池的三個基本部分之一)，然后可以在電池放電期間使用捕獲的氣體來供應功率輸出。

該辦法不同于今朝用于碳捕獲和封存(簡稱為CCS)的辦法將二氧化碳釋放回氣相以進行長期儲存。該范疇通常著眼于研究通過化學吸收過程從發電廠捕獲二氧化碳的辦法，然后將其儲存在地下地層中或將其化學性地改變成燃料或化學原料。

相反，該團隊開發了一種新辦法，可以筆直在電廠廢物流中使用，為電池的一個緊要組件制造材料。

雖然最近人們對鋰-二氧化碳電池的開發越來越感興致，因為該電池在放電過程中使用這種氣體作為反應物，但二氧化碳的低反應性通常要使用金屬催化劑。這些金屬催化劑不僅費用昂貴，而且我們對其功能的知道依然知之甚少，同時反應難以控制。

然而，Gallant和她的同事們通過將氣體加入液態中，找到了一種僅使用碳電極就能實現電化學二氧化碳轉化的辦法。關鍵是將二氧化碳加入到胺溶液中來預活化二氧化碳。

“我們第一次展示的是，這種技術可以激活二氧化碳，從而更容易進行電化學反應。”Gallant說。“這兩種化學物質：水胺和非水電池電解質，通常不能一起使用。但我們發現它們的結合出現了新的有趣的行為，其可以提高放電電壓，并準許二氧化碳的繼續轉換。”

他們通過一系列試驗聲明，這種辦法實在有效，并且可以加工出具有電壓和容量的鋰——二氧化碳電池，這種電池與最先進的鋰電池相比具有競爭力。此外，胺作為一個分子促使劑，在反應中不被消耗。

問題處理的關鍵是開發適宜的電解質系統，Khurram解釋說。在這一概念的初步證明研究中，他們決定使用非水電解質，因為它會限制可用的反應途徑，因此更容易表征反應并確定其可行性。他們選擇的胺類材料目前用于CCS使用，但往日沒有使用于電池中。

研究人員表示，這一早期系統尚未進行優化，還要進一步開發。首先，電池的循環壽命僅限于10次充放電循環，因此要更多的研究來提高電池的可再充電性并戒備電池包件的退化。Gallant說：“鋰——二氧化碳電池還要數年時間才能成為可行的產品”，因為這項研究只涵蓋了使電池具有實用性的幾項必要進展中的一項。

但依據Gallant的說法，這個概念供應了巨大的潛力。人們普遍認為碳捕獲關于實現減少溫室氣體排放的全球目標至關緊要，但目前還沒有經過證實的、長期的辦法來解決或使用所有出現的二氧化碳。地下地質處置依然是緊要的解決方式，但這種辦法依然有些未經證實，可能在它容納量方面會受到限制。另外它還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發一種繼續運行的工藝，該工藝將在壓力下使用穩定的二氧化碳流，而不是預先加載的材料，從而只要電池中供應二氧化碳，其就能夠供應穩定的電力輸出。最終，他們希望將其納入一個綜合系統，一方面可以捕獲發電廠排放的二氧化碳，另一方面又可以轉化為可用于電池的電化學材料。“這是將二氧化碳作為有用產品封存的一種方式。”Gallant說。

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