Прорив у розробці літій-CO₂ акумулятора дозволяє вловлювати вуглець під час живлення пристроїв

Інженери Університету Суррея представили літій-CO2 акумулятор, який видаляє вуглекислий газ з повітря в рамках своєї звичайної роботи. Оновлена ​​конструкція акумулятора має потенціал перевершити своїх попередників, водночас допомагаючи боротися із забрудненням та зміною клімату. Ось що вам потрібно знати.

Чому літій-іонні акумулятори не вистачають для зеленої енергетики

Майбутнє за бездротовим, і виробники розуміють, що існує попит на екологічно чисті рішення для акумуляторів. Найпоширенішими акумуляторами, що використовуються сьогодні, є літій-іонні. Ці акумулятори можна знайти в повсякденних пристроях, таких як мобільний телефон, електромобіль та смарт-годинник. Літій-іонні акумулятори пропонують гідну щільність, цикли зарядки та є доступними. Однак вони не є екологічно чистими та залишаються основним забруднювачем на звалищах у всьому світі.

Ключові проблеми літій-іонних акумуляторів: безпека, вартість та відходи

Існує кілька проблем з літій-іонними акумуляторами, які обмежують їхню ефективність та працездатність. По-перше, вони вимагають використання дорогих рідкоземельних матеріалів. Такі ресурси, як платина, важкодоступні, що значно підвищує вартість виробничого процесу. Крім того, попит на рідкоземельні мінерали став проблемою безпеки для країн, які зараз прагнуть забезпечити собі глибокі запаси цих необхідних елементів.

Літій-іонні акумулятори також мають низький термін служби. Конструкція цих акумуляторів передбачає певні втрати заряду/заряду для кожного циклу зарядки. Таким чином, літій-іонні акумулятори знижують свою продуктивність з кожним циклом. Крім того, їх утилізація є дуже дорогою, і вони можуть становити загрозу безпеці, якщо їх неправильно зарядити або якщо відбудеться тепловий розрив.

Тепловий розгін стосується перегріву елементів літій-іонного акумулятора, що призводить до перегріву навколишніх елементів. Результатом є масове розплавлення, яке може спричинити пожежі або навіть вибухи. Збитки, завдані під час цих подій, добре задокументовані. Простий пошук виявить довгу історію пожеж літій-іонних акумуляторів по всьому світу.

Понад потенціал

Ще однією проблемою для користувачів літій-іонних акумуляторів є перенапруга. Цей термін стосується кількості енергії, яка використовується для запуску хімічної реакції та заряджання акумулятора. Літій-іонні системи страждають від високої перенапруги. Однак, все це ось-ось зміниться завдяки деяким винахідливим вченим.

Що таке літій-CO₂ акумулятори та як вони працюють?

Літій-CO2 акумулятори стали захопливою альтернативою. Ці акумуляторні батареї використовують CO2 як енергоносій. Така структура забезпечує деякі важливі переваги, такі як покращена продуктивність, вища ємність та чистіше повітря. Отже, багато хто вважає, що літій-CO2 акумулятори є найкращим кроком до досягнення нульового рівня викидів вуглецю в майбутньому.

Недоліки сучасних літій-CO2 акумуляторів

Одним з головних недоліків використання літій-CO2-акумуляторів на даний момент є відсутність надійних та недорогих каталізаторів. Визнаючи цей факт, інженери створили нову версію, яка поєднує останні досягнення в матеріалознавстві та комп'ютерному моделюванні. Новий підхід обіцяє вирішити дві проблеми одночасно: споживання енергії та якість повітря.

Проривне дослідження літій-CO₂ акумуляторів, проведене Університетом Суррея

Дослідження¹, Â € Наднизький перенапруг у перезаряджуваних літій-CO2 акумуляторах, що забезпечується фосфомолібдатом цезію як ефективним окисно-відновним каталізатором«», опубліковано в журналі «Advanced Science», заглиблюється в «дихання«батареї». Ці пристрої використовують CO2 для взаємодії зі спеціально розробленим каталізатором, створюючи цикл чистої енергії.

Розібрані літій-CO2 акумулятори

В рамках свого процесу інженери створили кілька літій-CO2-акумуляторів з різними каталізаторами. Потім вони провели тисячі циклів зарядки/зарядки, що відповідає рокам щоденного використання. Після цього вони розібрали акумулятори, щоб глибше зрозуміти, що відбувається з точки зору деградації, накопичення та інших факторів, що обмежують продуктивність. Примітно, що команда помітила, що утворюються відкладення карбонату літію, і що їх можна легко видалити, щоб покращити цикл зарядки акумулятора.

Джерело - Суррейська школа хімії та хімічної інженерії та Інститут передових технологій

Літій-CO2 батареї, модель комп'ютера

Дослідники використали дані, отримані в результаті своїх експериментів, для створення точної комп'ютерної моделі. Модель використовує теорію функціоналу густини (DFT) для прогнозування критичних деталей та змін. Модель розширила можливості команди проводити уявні експерименти та допомогла команді зменшити загальні витрати, розширюючи при цьому тестування. Метою було використати модель для пошуку найкращого матеріалу для створення стабільної пористої структури, яка могла б підтримувати хімічні реакції, що забезпечують роботу літієвих батарей.

Фосфомолібдат цезію (CPM)

Після деяких випробувань інженери визначили, що фосфорномолібдат цезію (Cs3PMo12O40, CPM) є перспективним варіантом. Інженери застосували CPM як каталізатор у літій-CO2 акумуляторах, а потім провели кілька випробувань. Щоб створити CPM, інженери синтезували каталізатори та покрили ними катод.

Матеріал виявився ідеальним, оскільки він мав багато електроактивних центрів і мав поверхню, збагачену киснем. Крім того, композит має унікальну мезопористу морфологію, що підвищує його довговічність і продуктивність під час циклів заряджання, а це означає, що ці батареї витрачають менше енергії на перезаряджання порівняно з їхніми попередниками.

Ця пора CPM ідеальна, оскільки вона підтримує ефективну дифузію молекул CO2 та іонів Li+ до активних центрів. Крім того, пори виконують ще одну роль, вміщуючи продукти розряду. Примітно, що розмір кристалічних структур становить лише 140 нм.

Порошкова рентгенівська дифракція (PXRD)

Інженери дослідили структуру кристалічної решітки та склад синтезованого каталізатора CPM за допомогою методу порошкової рентгенівської дифракції. Цей інструмент працює шляхом фокусування рентгенівських променів на структурі та аналізу її дифракційної картини.

Інфрачервоний спектроскопічний спектроскопічний спектроскоп (FTIR) з перетворенням Фур'є

Наступним кроком було визначити, яка енергія поглинається або випромінюється внаслідок процесів. Для виконання цього кроку інженери використовували інфрачервону спектроскопію з перетворенням Фур'є. Команда відзначила присутність частинок кегіну під час процесу, що відповідало прогнозам їхньої обчислювальної моделі.

Одиниці Кеггіна

Команда доклала багато зусиль, щоб визначити, чи в їхньому творінні є інтегровані в поверхню кегінові блоки. Кегінові блоки являють собою кристалічний каркас, відомий своєю міцністю та структурною стабільністю. Це ідеальна конструкція для акумуляторів, оскільки вона зберігає свою структуру протягом циклічного процесу розрядки/зарядки.

Рентгенівська фотоелектронна спектроскопія (XPS)

Команда використала рентгенівську фотоелектронну спектроскопію, щоб глибше зрозуміти хімічний стан каталізатора під час процесу та після нього. Вони точно визначили елементний склад поверхні та скоригували його для оптимізації продуктивності та довговічності акумулятора.

Термогравіметрія (ТГ)

Наступним кроком було визначити, чи волога потрапляє в систему, чи утворюється як побічний продукт. Дослідники використовували термогравіметрію для оцінки вмісту води в композиті CPM. Випробування показало, що нова конструкція може підтримувати розробку акумуляторів високої щільності.

Тестування літій-CO2 акумуляторів

Серія лабораторних експериментів допомогла інженерам перевірити свої прогнози. Команда провела як фізичне, так і комп'ютерне моделювання, щоб оцінити електрокаталітичну здатність каталізатора CPM до покращення кінетики CRR/CER. Вони визначили, що його структура має деякі унікальні характеристики, які роблять його ідеальним для використання як каталізатора.

Результати випробувань літій-CO2 акумуляторів

Результати випробувань були вражаючими. Нова структура акумулятора працювала без збоїв. Команда провела 100 циклів при 50 мА г⁻¹ з обмеженням ємності 1 мАг г⁻¹. Вони зазначили, що пристрій міг накопичувати більше енергії та його було легше заряджати, ніж традиційні літій-іонні варіанти. Вражаюче, модернізовані акумулятори продемонстрували чудову розрядну ємність 500 мАг г⁻¹ при 1 мА г⁻¹ з кулонівською ефективністю 15440%. Крім того, каталізатор забезпечував низьке перенапруження 1 В.

Ці дані продемонстрували, що нова конструкція була набагато ефективнішою, ніж традиційний каталізатор. Зокрема, вона пропонує вищу ємність розряду-заряду та нижчу перенапругу акумуляторів. Крім того, конструкція літій-CO2 акумулятора підтримує тривалу стабільність 107 циклів при 50 мА г−1 з обмеженою ємністю 500 мАг г−1.

Основні переваги літій-CO₂ акумуляторів для чистої енергії

Літій-CO2-акумулятори мають багато переваг на ринку. По-перше, вони пропонують користувачам чисту альтернативу літій-іонним акумуляторам, які продовжують заповнювати сміттєзвалища. Цей новий підхід одночасно зменшує викиди відходів та парникових газів, відкриваючи можливості для акумуляторної галузі для серйозних модернізацій, одночасно зменшуючи забруднення.

Вища ємність

Звіт показує, що літій-CO2 акумулятори можуть забезпечити більшу ємність, ніж їхні попередники. Крім того, вони мають набагато нижчу перенапругу, а це означає, що вони використовують набагато менше енергії для заряджання. Менш інтенсивний підхід до заряджання подовжує термін служби акумулятора, не знижуючи його продуктивності.

Літій-CO2 акумулятори є більш доступними.

Ще одна причина, чому виробники та споживачі акумуляторів можуть зіткнутися з раптовим напливом літій-CO2 варіантів, полягає в тому, що вони забезпечують більш доступний виробничий процес. Якщо поєднати знижені виробничі витрати з меншими викидами, літій-CO2 альтернатива здається практичним способом зберігання чистої енергії.

Літій-CO2 акумулятори більш масштабовані

Дослідники забезпечили масштабування їхньої роботи для задоволення потреб громади. Існує величезний попит на чисті джерела енергії для живлення портативних пристроїв. Інженери розглядають цю розробку акумуляторів як модернізацію, що дозволяє скоротити витрати, а також має додаткову перевагу – вони поглинають CO2, шкідливий парниковий газ.

Літій-CO2 акумулятори є більш ефективними.

Ефективність – ще одна перевага літій-CO2-акумуляторів порівняно з іншими акумуляторними рішеннями. Ці джерела живлення наступного покоління зможуть ефективно працювати в широкому спектрі випадків використання. Пристрої пропонують більшу енергетичну ємність і можуть бути масштабовані, щоб забезпечити їхню відповідність застосуванню.

Без рідкоземельних металів

Рідкісноземельні метали – це обмежений ресурс, вартість якого продовжує зростати. Вже діють значні тарифи та інші законодавчі акти, спрямовані на захист доступу світових наддержав до рідкісноземельних металів. Рішення інженера виключити необхідність використання цих мінералів у конструкції своїх батарей може бути однією з головних причин успіху цієї технології.

Реальне застосування літій-CO₂ акумуляторів та коли їх очікувати

Існує багато застосувань для екологічніших батарей. Світу потрібні чисті альтернативи, які можуть живити зростаючу кількість бездротових систем, що використовуються щодня. Літій-CO2 одного дня може живити ваш будинок, автомобіль та інші пристрої, допомагаючи одночасно зменшувати викиди шкідливих парникових газів.

Космічна мандрівка

Космічні подорожі – ще одне застосування цієї технології. Оскільки вчені продовжують думати про способи підтримки досліджень глибокого космосу та інших світів, необхідно досліджувати нові варіанти живлення. Ця остання розробка має деякі ключові переваги, оскільки вона може працювати на далеких планетах, таких як Марс, оскільки його атмосфера складається на 95% з CO₂.

Хронологія літій-CO2 акумуляторів

Може пройти близько +5 років, перш ніж CO2-акумулятори потраплять до споживачів. Технологія вже існує, але команді все ще потрібно знайти найкращий підхід для виведення свого винаходу на ринок. Примітно, що зростаючий попит на виконання зобов'язань щодо нульового викиду вуглецю може пришвидшити цей термін і допомогти зробити інтеграцію літій-CO2-варіантів пріоритетним завданням.

Дослідники літій-CO2-батарей

Дослідження літій-CO2-батареїв було проведено Школою хімії та хімічної інженерії Суррея та Інститутом передових технологій. У проривній статті Сіддхарт Гадкарі та Даніель Командер є співавторами дослідження. Вони отримали підтримку від Махси Масуді, Нойбі Ф. Ксав'є-молодшого, Джеймса Райта, Томаса М. Роузвіара, Стівена Хіндера, Влада Столояна, Ціонг Цая та Роберта К.Т. Слейда.

Майбутнє літій-CO2 акумуляторів

Команда прагне глибше дослідити інші матеріали та те, як ці каталізатори взаємодіють з електродами та електролітами. Вони також хочуть глибше дослідити поліоксометалат типу Кеггіна як біфункціональний окисно-відновний каталізатор. Ці кроки можуть допомогти покращити основні аспекти їхньої конструкції, включаючи оборотний цикл перезаряджаних літій-CO2-акумуляторів.

Інвестування в сектор акумуляторів

На ринку акумуляторів працює кілька компаній. Ці фірми охоплюють широкий спектр продукції, від відомих виробників першого рівня до недорогих альтернатив і навіть підробок. Попит на якісні акумулятори залишається високим. Ось один виробник акумуляторів, який має всі позиції для успіху та може інтегрувати літій-CO1 акумулятори у свою продукцію в майбутньому.

Тверда потужність

Тверда потужність (SLDP ) вийшла на ринок у 2011 році, а штаб-квартира компанії знаходиться в Колорадо. Метою компанії є створення високопродуктивних альтернатив твердотільним акумуляторам. З моменту свого запуску Solid Power отримала значну підтримку та зростання на ринку. Це зростання головним чином зумовлене її інноваційним духом та унікальними продуктами, які замінюють рідкі електроліти на твердотільні варіанти на основі сульфідів. Такий підхід зменшив ризик пожежі або теплового виходу.

Компанія Solid Power має кілька стратегічних партнерств з виробниками електромобілів. Ці партнерства покликані стимулювати інновації та допомогти ринку знайти безпечнішу та ефективнішу альтернативу. Сьогодні компанія співпрацює з різноманітними виробниками з різних галузей, включаючи медичний та виробничий сектори.

Тим, хто прагне придбати надійні акції акумуляторів з потенціалом зростання, варто розглянути можливість проведення додаткових досліджень SLDP. Партнерські відносини з компанією та її продукти викликають захоплення у багатьох аналітиків. Крім того, зростає попит на її послуги, що може пов'язати з доданою вартістю акцій у найближчі тижні.

Останні новини та події акцій Solid Power (SLDP)

Літій-CO2 акумулятори – чиста енергія на ходу

Літій-CO2-акумулятори можуть допомогти інженерам покласти край пожежній небезпеці та пошкодженню, спричиненому тепловим розрядом літій-іонних акумуляторів. Ці пристрої є всюди, і їх заміна безпечнішою та ефективнішою альтернативою може допомогти значній частині населення. Отже, виробники та інженери продовжують витрачати час, гроші та зусилля на вдосконалення сучасних акумуляторів. На щастя, цей останній продукт максимізує їхні зусилля поряд з виробництвом чистої енергії.

Дізнайтеся про інші круті енергетичні розробки зараз.

Посилання на дослідження:

^{1. Масуді, М., Ксав’єр-молодший, Н. Ф., Райт, Дж., Розвеар, Т. М., Хіндер, С., Столожан, В., Кай, К., Слейд, RCT, Командор, Д., і Гадкарі, С. (2025). Наднизька перенапруга в перезаряджуваних літій-CO₂ батареях, що забезпечується фосфорномолібдатом цезію як ефективним окисно-відновним каталізаторомПередова наука, 12(17), 2502553. https://doi.org/10.1002/advs.202502553}