El nuevo diseño de la batería de litio consume dióxido de carbono durante la carga: ¿vatios con eso?

La batería a base de litio podría hacer uso de los gases de efecto invernadero antes de que llegue a la atmósfera

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CAMBRIDGE, Mass. — Un nuevo tipo de batería desarrollado por investigadores del MIT podría fabricarse en parte a partir del dióxido de carbono capturado de las centrales eléctricas. En lugar de intentar convertir el dióxido de carbono en productos químicos especializados utilizando catalizadores metálicos, lo que actualmente es un gran desafío, esta batería podría convertir continuamente el dióxido de carbono en un carbonato mineral sólido a medida que se descarga.

Si bien aún se basa en una investigación en etapa inicial y está lejos del despliegue comercial, la nueva formulación de la batería podría abrir nuevas vías para adaptar las reacciones de conversión de dióxido de carbono electroquímico, lo que en última instancia puede ayudar a reducir la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera.

La batería está hecha de metal de litio, carbono y un electrolito diseñado por los investigadores. Los hallazgos se describen hoy en la revista Jouleen un artículo del profesor asistente de ingeniería mecánica Betar Gallant, la estudiante de doctorado Aliza Khurram y el postdoctorado Mingfu He.

Actualmente, las centrales eléctricas equipadas con sistemas de captura de carbono generalmente usan hasta el 30 por ciento de la electricidad que generan solo para impulsar la captura, liberación y almacenamiento de dióxido de carbono. Cualquier cosa que pueda reducir el costo de ese proceso de captura, o que pueda resultar en un producto final que tenga valor, podría cambiar significativamente la economía de tales sistemas, dicen los investigadores.

Sin embargo, «el dióxido de carbono no es muy reactivo», explica Gallant, por lo que «es importante tratar de encontrar nuevas vías de reacción». En general, la única forma de lograr que el dióxido de carbono muestre una actividad significativa en condiciones electroquímicas es con grandes aportes de energía en forma de altos voltajes, lo que puede ser un proceso costoso e ineficiente. Idealmente, el gas sufriría reacciones que producirían algo valioso, como un químico útil o un combustible. Sin embargo, los esfuerzos de conversión electroquímica, que normalmente se llevan a cabo en el agua, se ven obstaculizados por los altos aportes de energía y la escasa selectividad de los productos químicos producidos.

Gallant y sus compañeros de trabajo, cuya experiencia tiene que ver con reacciones electroquímicas no acuosas (no a base de agua) como las que subyacen en las baterías a base de litio, investigaron si la química de captura de dióxido de carbono podría usarse para hacer carbono. electrolitos cargados de dióxido, una de las tres partes esenciales de una batería, donde el gas capturado podría usarse durante la descarga de la batería para proporcionar una salida de energía.

Este enfoque es diferente de liberar el dióxido de carbono nuevamente a la fase gaseosa para su almacenamiento a largo plazo, como se usa ahora en la captura y secuestro de carbono, o CCS. Ese campo generalmente busca formas de capturar dióxido de carbono de una planta de energía a través de un proceso de absorción química y luego almacenarlo en formaciones subterráneas o alterarlo químicamente en un combustible o una materia prima química.

En cambio, este equipo desarrolló un nuevo enfoque que potencialmente podría usarse directamente en el flujo de desechos de la planta de energía para fabricar material para uno de los componentes principales de una batería.

Si bien recientemente ha crecido el interés en el desarrollo de baterías de dióxido de carbono y litio, que utilizan el gas como reactivo durante la descarga, la baja reactividad del dióxido de carbono generalmente ha requerido el uso de catalizadores metálicos. No solo son costosos, sino que su función sigue siendo poco conocida y las reacciones son difíciles de controlar.

Sin embargo, al incorporar el gas en estado líquido, Gallant y sus compañeros de trabajo encontraron una manera de lograr la conversión electroquímica de dióxido de carbono utilizando solo un electrodo de carbono. La clave es preactivar el dióxido de carbono incorporándolo a una solución de amina.

“Lo que hemos demostrado por primera vez es que esta técnica activa el dióxido de carbono para una electroquímica más fácil”, dice Gallant. «Estas dos químicas, aminas acuosas y electrolitos de batería no acuosos, normalmente no se usan juntas, pero descubrimos que su combinación imparte comportamientos nuevos e interesantes que pueden aumentar el voltaje de descarga y permitir una conversión sostenida de dióxido de carbono».

Demostraron a través de una serie de experimentos que este enfoque funciona y puede producir una batería de dióxido de carbono y litio con un voltaje y una capacidad que son competitivos con los de las baterías de gas de litio de última generación. Además, la amina actúa como un promotor molecular que no se consume en la reacción.

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Esta imagen de microscopio electrónico de barrido muestra el cátodo de carbono de una batería a base de dióxido de carbono fabricada por investigadores del MIT, después de que se descargó la batería. Muestra la acumulación de compuestos de carbono en la superficie, compuestos de material de carbonato que podría derivarse de las emisiones de las plantas de energía, en comparación con la superficie prístina original (recuadro). Cortesía de los investigadores

La clave fue desarrollar el sistema de electrolitos correcto, explica Khurram. En este estudio inicial de prueba de concepto, decidieron utilizar un electrolito no acuoso porque limitaría las vías de reacción disponibles y, por lo tanto, facilitaría la caracterización de la reacción y la determinación de su viabilidad. El material de amina que eligieron se usa actualmente para aplicaciones CCS, pero no se había aplicado anteriormente a las baterías.

Este sistema inicial aún no se ha optimizado y requerirá un mayor desarrollo, dicen los investigadores. Por un lado, el ciclo de vida de la batería está limitado a 10 ciclos de carga y descarga, por lo que se necesita más investigación para mejorar la capacidad de recarga y evitar la degradación de los componentes de la celda. «Las baterías de dióxido de carbono y litio están a años de distancia» como un producto viable, dice Gallant, ya que esta investigación cubre solo uno de varios avances necesarios para que sean prácticas.

Pero el concepto ofrece un gran potencial, según Gallant. La captura de carbono se considera esencial para cumplir los objetivos mundiales de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, pero aún no existen formas comprobadas a largo plazo de eliminar o utilizar todo el dióxido de carbono resultante. La eliminación geológica subterránea sigue siendo el principal competidor, pero este enfoque aún no ha sido probado y puede estar limitado en cuanto a cuánto puede acomodar. También requiere energía adicional para perforar y bombear.

Los investigadores también están investigando la posibilidad de desarrollar una versión de operación continua del proceso, que usaría un flujo constante de dióxido de carbono bajo presión con el material de amina, en lugar de un suministro precargado del material, lo que le permitiría entregar una potencia constante. salida siempre que la batería esté alimentada con dióxido de carbono. En última instancia, esperan convertir esto en un sistema integrado que llevará a cabo tanto la captura de dióxido de carbono del flujo de emisiones de una planta de energía como su conversión en un material electroquímico que luego podría usarse en baterías. “Es una forma de secuestrarlo como un producto útil”, dice Gallant.

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El estudio: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118304057?via%3Dihub

El Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT brindó apoyo para el proyecto.

Escrito por David L. Chandler, Oficina de Noticias del MIT

Relacionado: Actualización de investigación: el equipo observa la carga en tiempo real de una batería de litio-aire

http://noticias.mit.edu/2013/carga-en-tiempo-real-de-la-bateria-de-litio-aire-0513


Concepto interesante, pero con solo 10 ciclos de carga/descarga disponibles, muy poco práctico.

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