基于锂的新型电池设计利用了温室气体

该扫描电子显微镜图像显示了麻省理工学院研究人员制造的二氧化碳电池的碳阴极，该电池在放电后。它显示了与原始原始表面（插图）相比，由碳酸盐材料组成的表面上碳化合物的堆积，这些碳酸盐材料可能来自发电厂的排放物。由研究人员礼貌

新的锂基电池可以在进入大气层之前利用温室气体。

麻省理工学院的研究人员开发的新型电池可以部分地由发电厂捕获的二氧化碳制成。与其尝试使用目前极具挑战性的金属催化剂将二氧化碳转化为特殊化学品，不如说该电池可以在放电时将二氧化碳连续转化为固体矿物碳酸盐。

尽管仍基于早期研究并且还没有商业化部署，但是这种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途径，最终可以帮助减少温室气体向大气的排放。

该电池由研究人员设计的锂金属，碳和一种电解质制成。机械研究助理教授Betar Gallant，博士生Aliza Khurram和博士后He Mingfu在一篇论文中，今天的发现在《焦耳》杂志中有描述。

当前，配备了碳捕集系统的发电厂通常仅将其产生的电力的30％用于为二氧化碳的捕集，释放和储存提供动力。研究人员说，任何可以降低捕获过程成本的产品，或者可以产生具有价值的最终产品的任何东西，都可能会极大地改变此类系统的经济性。

但是，加兰特解释说，“二氧化碳的反应性不是很高，因此，寻找新的反应途径非常重要。”通常，使二氧化碳在电化学条件下表现出显着活性的唯一方法是以高电压的形式输入大量能量，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，例如有用的化学物质或燃料。然而，通常在水中进行的电化学转化的努力仍然由于高能量输入和所产生的化学品的不良选择性而受到阻碍。

Gallant和她的同事们的专业知识与非水（非水基）电化学反应（例如锂基电池所基于的反应）有关，他们研究了是否可以利用二氧化碳捕获化学方法来制造碳装有二氧化碳的电解质（电池的三个基本组成部分之一），捕获的气体可在电池放电期间用于提供功率输出。

这种方法不同于将二氧化碳释放回气相以进行长期存储，就像现在在碳捕获和封存（CCS）中所使用的那样。该领域通常关注通过化学吸收过程从发电厂捕获二氧化碳，然后将其存储在地下地层中或将其化学转化为燃料或化学原料的方法。

取而代之的是，该团队开发了一种新方法，可以将其潜在地用于发电厂的废物流中，以制造电池主要部件之一的材料。

尽管最近人们对开发锂-二氧化碳电池的兴趣不断增长，该电池在放电过程中将气体用作反应物，但二氧化碳的低反应性通常需要使用金属催化剂。这些不仅昂贵，而且对它们的功能仍知之甚少，并且反应难以控制。

然而，通过将液态气体引入液态，加兰特及其同事发现了一种仅使用碳电极即可实现电化学二氧化碳转化的方法。关键是通过将二氧化碳掺入胺溶液中来预活化二氧化碳。

盖伦特说：“我们首次展示了这种技术可以激活二氧化碳，从而使电化学更加简便。”“这两种化学物质-水胺和非水电池电解质-通常不一起使用，但是我们发现它们的组合赋予了新的有趣的行为，可以增加放电电压并实现二氧化碳的持续转化。”

他们通过一系列实验证明了这种方法确实有效，并且可以生产出电压和容量与最新的锂气电池相比具有竞争力的锂-二氧化碳电池。此外，胺充当在反应中不消耗的分子促进剂。

Khurram解释说，关键是开发正确的电解质系统。在此最初的概念验证研究中，他们决定使用非水电解质，因为它会限制可用的反应路径，因此更易于表征反应并确定其生存能力。他们选择的胺材料目前用于CCS应用，但以前尚未应用于电池。

研究人员说，这种早期系统尚未进行优化，需要进一步开发。一方面，电池的循环寿命被限制为10次充放电循环，因此需要进行更多的研究来提高充电性并防止电池组件的退化。盖伦特说：“可行的产品“锂-二氧化碳电池相距数年”，因为这项研究仅涉及使其实用化的几项必要进步中的一项。

但是，根据Gallant的说法，这一概念具有巨大的潜力。碳捕获被广泛认为是实现减少温室气体排放的全球目标所不可或缺的，但是目前还没有长期有效的方法来处置或使用所有产生的二氧化碳。地下地质处置仍是主要竞争者，但这种方法仍未得到证实，并且可能容纳的数量有限。它还需要额外的能量来进行钻井和抽水。

研究人员还研究了开发连续操作版工艺的可能性，该工艺将在压力下与胺材料一起使用稳定的二氧化碳流，而不是预先加载材料，从而使其能够提供稳定的动力。只要向电池供应二氧化碳，就可以输出功率。最终，他们希望将其变成一个集成系统，既可以捕获发电厂排放流中的二氧化碳，又可以将其转化为可用于电池的电化学材料。Gallant说：“这是将其隔离为有用产品的一种方法。”

“有趣的是，盖伦特和他的同事们巧妙地结合了来自两个不同领域的先验知识，即金属-气体电池电化学和二氧化碳捕获化学，并成功地提高了电池的能量密度和碳效率。二氧化碳捕获”，韩国首尔国立大学教授Kisuk Kang表示，他与这项研究无关。

“尽管将来可能需要更精确地了解由二氧化碳形成的产品，但是这种跨学科的方法非常令人兴奋，并且常常会带来意想不到的结果，正如作者在此处优雅地证明的那样，” Kang补充说。

麻省理工学院的机械工程系为该项目提供了支持。

出版物：Aliza Khurram等人，“通过掺入CO2捕获化学来改善Li-CO2电池中的放电反应，” Joule，2018年； doi：10.1016 / j.joule.2018.09.002