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半岛APP官方网站-新电池突破:一边放电一边固碳,能量密度是锂电池7倍2023-09-30

2023-09-30

电池的利用有着很是主要的意义。动力电池是交通范畴实现电气化的焦点,可以或许间接增进二氧化碳排放的年夜幅削减;电池在储能范畴的利用则可以保障可再生能源电力供给的不变性与靠得住性。

但若何到达电池既廉价,又能量密度年夜,还能寿命更长?科学家在进行不竭摸索,各类手艺线路也各显神通。锂离子电池是今朝的主流。

而此刻正有一项新半岛全站官方手艺,不但电池能量密度是传统锂离子电池的7倍以上,还可以或许在输出电能的同时将二氧化碳固定为碳酸盐和碳,它就是锂-二氧化碳电池(Li-CO2 Batteries)。

锂-二氧化碳电池同时具有储能和固碳的两重优势,可谓是“一箭双雕”。

这项具有普遍利用前景的新型电化学储能系统从降生之初就吸引了泛博科研工作者的研究爱好。

不外任何一种新手艺的成长和利用都需要一步一步实现。研究人员暗示,锂-二氧化碳电池的开辟仍处在初期阶段,好比此中最主要的催化剂的出产方式,依然相对迟缓且效力低下,需要寻觅高效的电催化剂并深切领会其反映机理。

是以,萨里年夜学、伦敦帝国理工学院和北京年夜学比来开辟出了一种新型电化学测试平台,有助在加快锂-二氧化碳电池催化剂的评估与开辟。与传统体例比拟,这类新方式极具本钱效益、效力和可控性,有望霸占锂-二氧化碳电池成长利用所面对的困难。

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锂-二氧化碳电池的宿世此生

现代意义上的二次(可充电)锂离子电池降生在1983年,这也让那时鞭策锂离子电池成长的要害人物吉野彰博士取得了诺贝尔化学奖。

后来为了知足更多装备和束缚前提下的利用要求,科研人员继续投入了对锂-氧(Li-O2)电池(即锂空气电池)的研究。此刻的锂-二氧化碳电池,也是在这一根本上成长起来的。

锂二氧化碳电池的工作道理是当对电池进行充电时,锂离子从电池正极颠末电解液活动到负极。而作为负极的碳呈层状布局,有良多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中。是以,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。

一样事理,在电池利用(放电)的进程中,嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又活动回到正极。回到正极的锂离子越多,放电容量越高。

图说:锂-二氧化碳电池工作道理

作为一种具有极年夜成长潜力半岛全站官方网站的可充电电池,锂-二氧化碳电池的能量密度极高,而能量密度越高的电池,单元体积内贮存的电量也就越多。

据领会,今朝主流的磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg以下,三元锂电池的能量密度在200-300Wh/kg之间。中科院院士孙世刚暗示,今朝锂离子电池的能量密度已接近了天花板。而锂-二氧化碳电池的理论能量密度高达1876Wh/kg,是通俗锂离子电池的7倍以上。

不但如斯,Li-CO2电池中的可逆电化学反映:4Li + 3CO2 =2Li2CO3 + C (E0 = 2.80 V vs Li/Li+)也是固定CO2的新路子。传统的CO2固定方式需要持续的能量供给,假如这份能量供给是基在化石燃料产能,反而会排放更多的CO2。比拟之下,锂-二氧化碳电池的固碳体例就洁净很多。

可以说锂-二氧化碳电池既是一项要害的电池手艺,又是一项主要的固碳手艺,可以或许为应对天气转变做出两重进献。

但因为今朝还处在成长的低级阶段。影响锂-二氧化碳电池效能的身分有良多。

在电池反映进程中,碳酸锂(Li2CO3)作为首要放电产品是一种宽带隙绝缘子,这将致使其在充电进程中的分化动力学变慢;在轮回进程中,Li2CO3的不完全分化和不成逆转化的构成,和固体碳酸盐物资在阴极概况的堆集,也会致使电化学机能的较着降落,直至Li-CO2电池的“猝死”。

针对这一困难,开辟双向催化剂来加快放电和充电进程中的转化反映动力学,是提高Li-CO2电池的能效和轮回寿命的要害。

02

多功能电化学测试平台有何用?

为应对响应挑战,萨里年夜学、伦敦帝国理工学院和北京年夜学的研究人员设计了一种多功能电化学测试平台(on-chip electrochemical testing platform),可以同时进行多项工作。这个平台有助在电催化剂挑选、优化操作前提和研究高机能锂-二氧化碳电池中的二氧化碳转化。

研究人员暗示,传统的Li-CO2电池催化剂摸索方式首要依托试错法和单模式表征/测试手艺,既耗时又低效。

是以,必需成立一个简化的多功能测试平台,以便以较短的时候和纳米级空间分辩率快速挑选催化剂,进行多模式表征测试,从而更周全地领会Li-CO2电池这一新兴手艺并加快其成长。

研究人员开辟设计出的“片上锂-二氧化碳电池尝试平台”(lab-on-a-chip LCB platform)具有三电极电化学测试、催化剂挑选和原位探测化学成份和形态演化的功能。

图说:平台示意图,该阵列可以或许 (ii) 挑选阴极催化剂和;(iii) 履行三电极测试;原位 EC-Raman 光谱和 EC-AFM 功能

研究人员操纵这个平台,系统地评估了一系列候选催化剂增进转化反映的潜力,并研究了它们的可逆性和反映路子。

此中候选催化剂包罗高密度纳米颗粒状况的铂、金、银、铜、铁和镍。终究发现,铂纳米粒子作为催化剂时电池具有较着的最小极化表示(0.55 V)、最高的可逆性和新的反映路径,展现出了优胜的机能。而这一尝试成果也揭露出了锂-二氧化碳电池的成长潜力。

研究人员暗示,锂-二氧化碳电池(LCB )平台还可以在进一步的摸索中阐扬主要感化,包罗:

(1)经由过程集成微流控系统或在平台上图案化分歧的准固体电解质,为锂-二氧化碳电池反映挑选具有不变溶剂的电解质;

(2)摸索分歧的锂阳极庇护策略或为锂-二氧化碳电池挑选其他预锂化阳极。

“开辟负排放新手艺相当主要。我们的片上尝试室平台将在实现这一方针方面阐扬要害感化。它还可以利用在其他系统,如金属空气电池、燃料电池和光电化学电池。”伦敦帝国粹院高级讲师Yulong Zhao说。

整体来看,LCB平台的设计,有望霸占锂-二氧化碳电池成长所面临的困难,包罗催化剂的快速挑选、反映机理研究和从纳米科学到尖端碳断根手艺的现实利用。

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