Применение батарей имеет очень важное значение.Энергетические батареи являются основой электрификации в области транспорта и могут косвенно способствовать значительному сокращению выбросов углекислого газа; применение батарей в области хранения энергии может обеспечить стабильность и надежность энергоснабжения из возобновляемых источников энергии.
Но как сделать батареи дешевыми, с высокой плотностью энергии и с более длительным сроком службы?Литий-ионные батареи в настоящее время являются основным.
Теперь существует новая технология, которая не только имеет плотность энергии батареи, которая более чем в 7 раз превышает традиционные литий-ионные батареи,но также может фиксировать углекислый газ в карбонат и углерод при выработке электрической энергииЭто литий-углекислый аккумуляторы (Li-CO2 аккумуляторы).
Литий-углекислый аккумулятор обладает двумя преимуществами: он хранит энергию и улавливает углерод.
Эта новая электрохимическая система хранения энергии с широкими перспективами применения с самого начала привлекала научный интерес ученых.
Однако разработка и применение любой новой технологии необходимо осуществлять поэтапно.Исследователи сказали, что разработка литий-углекислый аккумуляторы все еще на ранних стадияхНапример, способ производства самого важного катализатора все еще относительно медленный и неэффективный.Необходимо найти эффективные электрокатализаторы и глубоко понять их механизмы реакции.
Поэтому Университет Суррея, Imperial College London and Peking University have recently developed a new electrochemical test platform that can help accelerate the evaluation and development of lithium-carbon dioxide battery catalystsПо сравнению с традиционными методами этот новый метод является чрезвычайно экономичным, эффективным и управляемым.и, как ожидается, преодолеть проблемы, с которыми сталкиваются при разработке и применении литий-углекислый аккумуляторы.
Прошлое и настоящее литий-углекислых батарей
Второстепенные (перезаряжаемые) литий-ионные батареи в современном смысле родились в 1983 году, что также позволило доктору Акире Йошино,ключевой фигурой в продвижении развития литий-ионных батарей в то время, чтобы выиграть Нобелевскую премию по химии.
Позже, чтобы удовлетворить требования к использованию большего количества оборудования и ограничений, исследователи продолжали инвестировать в исследования литий-кислородных (Li-O2) батарей (т.е. литий-воздушных батарей).Сегодняшние литий-углекислый батареи также разработаны на этой основе.
Литий-углекислый аккумуляторы работают по принципу, что когда батарея заряжается, ионы лития перемещаются от положительного электрода батареи через электролит к отрицательному электроду.Углерод, используемый в качестве отрицательного электрода, имеет слоистую структуру с множеством микропор.Поэтому, чем больше литий-ионов встроено, тем выше емкость зарядки.
Точно так же, во время использования (разрядки) батареи, ионы лития, встроенные в углеродный слой отрицательного электрода, выходят и возвращаются к положительному электроду.Чем больше ионов лития возвращаются на положительный электрод, чем выше емкость разряда.
Как перезаряжаемая батарея с большим потенциалом развития, литий-углекислый аккумулятор имеет чрезвычайно высокую плотность энергии.и батареи с более высокой плотностью энергии могут хранить больше электроэнергии на единицу объема.
Как известно, текущая плотность энергии основных литий-железофосфатных батарей составляет менее 200Wh/kg, а плотность энергии литий-тернарийных батарей составляет от 200 до 300Wh/kg.Сунь Шиганг, академик Китайской академии наук, сказал, что текущая плотность энергии литий-ионных батарей близка к потолку.Теоретическая плотность энергии литий-углекислых батарей достигает 1876Wh/kg, что более чем в 7 раз больше, чем у обычных литий-ионных батарей.
Не только это, обратимая электрохимическая реакция в аккумуляторах с Li-CO2: 4Li + 3CO2 = 2Li2CO3 + C (E0 = 2,80 V против Li/Li+) также является новым способом фиксации CO2.Традиционные методы фиксации CO2 требуют непрерывного энергоснабженияЕсли это энергоснабжение основывается на производственных возможностях ископаемого топлива, то будет выделено больше CO2.
Можно сказать, что литий-углекислый аккумуляторы являются одновременно ключевой технологией аккумуляторов и важной технологией улавливания углерода, которая может внести двойной вклад в борьбу с изменением климата.
Но он все еще находится на ранних стадиях разработки.
В процессе реакции аккумулятора карбонат лития (Li2CO3) в качестве основного продукта разряда является изолятором широкой полосы пропускания, что приводит к замедлению кинетики его разложения во время зарядки;во время цикла, Li2CO3 подвергается неполному разложению и необратимой трансформации. The formation of and the accumulation of solid carbonate materials on the cathode surface will also lead to a significant decrease in electrochemical performance until the "sudden death" of the Li-CO2 battery.
Чтобы решить эту проблему,Разработка двунаправленных катализаторов для ускорения кинетики конверсионной реакции во время разряда и зарядки является ключом к повышению энергоэффективности и продолжительности цикла аккумуляторов с Li-CO2.
Для чего используется многофункциональная электрохимическая испытательная платформа?
Для решения соответствующих проблем исследователи из Университета СурреяИмперский колледж Лондона и Пекинский университет разработали многофункциональную электрохимическую тестовую платформу на чипе, которая может выполнять несколько задач одновременноЭта платформа позволяет проводить скрининг электрокатализаторов, оптимизировать условия работы и изучать преобразование CO2 в высокопроизводительных литий-CO2 батареях.
Исследователи заявили, что традиционные методы исследования катализаторов Li-CO2 в основном основаны на методах проб и ошибок и методах характеристики/испытания в одном режиме.которые занимают много времени и неэффективны.
Поэтому,Необходимо создать упрощенную многофункциональную платформу испытаний для быстрого скрининга катализаторов и проведения многорежимных испытаний характеристики в короткие сроки и пространственное разрешение наноразмера., чтобы более полно понять новую технологию Li-CO2 аккумуляторов и ускорить ее развитие.
"Лабораторная платформа LCB на чипе", разработанная и спроектированная исследователями, имеет функции электрохимического тестирования трех электродов, скрининга катализатора,и обнаружение химического состава и морфологической эволюции на месте.
Используя эту платформу,Исследователи систематически оценили потенциал ряда потенциальных катализаторов для стимулирования трансформационных реакций и изучили их обратимость и пути реакции..
Кандидаты в катализаторы включают платину, золото, серебро, медь, железо и никель в состоянии наночастиц с высокой плотностью.аккумулятор имеет очевидную минимальную поляризацию (0Этот экспериментальный результат также показывает потенциал развития литий-углекислого аккумуляторов.
Исследователи говорят, что платформа литий-углекислый аккумулятор (LCB) также может сыграть важную роль в дальнейших исследованиях, в том числе:
(1) Экранирование электролитов с стабильными растворителями для реакций литий-углекислый аккумулятор, путем интеграции микрофлюидных систем или моделирования различных квазитвердых электролитов на платформе;
(2) Исследовать различные стратегии защиты литиевого анода или отслеживать другие предлитиевые аноды для литиево-углекислых батарей.
"Развитие новых технологий для отрицательных выбросов имеет решающее значение. Наша платформа лаборатории на чипе сыграет ключевую роль в достижении этого.топливные элементы и фотоэлектрохимические элементы. " Имперский Лондон сказал Юлун Чжао, старший преподаватель колледжа.
Ожидается, что в целом конструкция платформы LCB позволит преодолеть проблемы, с которыми сталкивается разработка литий-углекислый аккумулятор, включая быстрый скрининг катализаторов,исследования механизмов реакции, и практических применений от нанонауки до передовых технологий удаления углерода.