麻省理工學院研究人員開發的一種新型電池可以部分來自發電廠捕獲的二氧化碳。與其試圖使用目前極具挑戰性的金屬催化劑將二氧化碳轉化為專用化學品，這種電池可以在二氧化碳排放時連續將二氧化碳轉化為固體碳酸鹽。
雖然仍然基於早期研究並且遠離商業部署，但新的電池配方可以開闢定製電化學二氧化碳轉化反應的新途徑，這可能最終有助於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，碳和電解質製成。今天在Joule雜誌，機械工程助理教授Betar Gallant，博士生Aliza Khurram和博士後Mingfu He的論文中描述了這些發現。
目前，配備碳捕獲系統的發電廠通常使用其產生的高達30％的電力來為二氧化碳的捕獲，釋放和儲存提供動力。研究人員表示，任何可以降低捕獲過程成本或可能導致最終產品具有價值的東西都可能顯著改變這種系統的經濟性。
然而，“二氧化碳不是很活躍，”Gallant解釋說，所以“試圖找到新的反應途徑很重要。” 通常，使二氧化碳在電化學條件下表現出顯著活性的唯一方法是以高電壓形式存在大量能量輸入，這可能是昂貴且低效的過程。理想情況下，氣體會經歷產生有價值的反應，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的努力仍然受到高能量輸入和所產生化學品的選擇性差的阻礙。
Gallant及其同事的專長與非水（非水基）電化學反應（如鋰基電池的基礎）有關，研究了二氧化碳捕獲化學是否可用於製造碳 - 裝有二氧化物的電解質 - 電池的三個基本部分之一 - 然後在電池放電期間可以使用捕獲的氣體來提供功率輸出。
該方法不同於將二氧化碳釋放回氣相以進行長期儲存，如現在用於碳捕獲和封存或CCS中。該領域通常研究通過化學吸收過程從發電廠捕獲二氧化碳的方法，然後將其儲存在地下地層中或將其化學改變成燃料或化學原料。
相反，該團隊開發了一種新方法，可以直接用於電廠廢物流，為電池的一個主要組件製造材料。
雖然最近在開發在排放過程中使用氣體作為反應物的鋰 - 二氧化碳電池的興趣增加，但二氧化碳的低反應性通常需要使用金屬催化劑。這些不僅昂貴，而且其功能仍然知之甚少，反應難以控制。
然而，通過將氣體加入液態，Gallant和她的同事找到了一種僅使用碳電極實現電化學二氧化碳轉化的方法。關鍵是通過將二氧化碳加入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，從而實現更輕鬆的電化學，”Gallant說。“這兩種化學物質 - 含水胺和非水電池電解質 - 通常不能一起使用，但我們發現它們的組合帶來了新的和有趣的行為，可以增加放電電壓並允許持續轉化二氧化碳。”
他們通過一系列實驗表明，這種方法確實有效，並且可以生產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，胺充當不在反應中消耗的分子促進劑。
關鍵是開發正確的電解質系統，Khurram解釋說。在這個最初的概念驗證研究中，他們決定使用非水電解質，因為它會限制可用的反應途徑，因此更容易表徵反應並確定其可行性。他們選擇的胺類材料目前用於CCS應用，但以前沒有應用於電池。
研究人員表示，這一早期系統尚未進行優化，需要進一步開發。首先，電池的循環壽命限於10次充放電循環，因此需要更多的研究來改善可再充電性並防止電池組件的退化。Gallant說，“鋰 - 二氧化碳電池需要幾年時間才能成為可行的產品”，因為這項研究只涵蓋了其中一項必要的進展，以使其具有實用性。
但根據蓋蘭特的說法，這個概念提供了巨大的潛力。人們普遍認為碳捕獲對於實現減少溫室氣體排放的全球目標至關重要，但目前還沒有經過證實的長期處理或使用所有二氧化碳的方法。地下地質處置仍然是主要的競爭者，但這種方法仍然有些未經證實，可能會受到限制。它還需要額外的能量用於鑽孔和泵送。
研究人員還在研究開發該過程的連續操作版本的可能性，該過程將使用穩定的二氧化碳壓力與胺材料，而不是預先加載材料，從而使其能夠提供穩定的動力只要電池供應二氧化碳就輸出。最終，他們希望將其納入一個綜合系統，既可以捕獲發電廠排放的二氧化碳，又可以轉化為可用於電池的電化學材料。“這是將其作為有用產品封存的一種方式，”Gallant說。
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