Was, aus Kohlendioxid können Batterien hergestellt werden?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Tan Peng und Zhang Zhuojun (Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas)

Hersteller: China Science Expo

In den letzten Jahren hat sich die Lithium-Ionen-Batterietechnologie immer weiter entwickelt, und man sieht überall Elektroautos auf den Straßen rasen. Die Reichweite von Elektrofahrzeugen war schon immer ein wichtiger Indikator, auf den die Menschen achten. Sie wird direkt durch die Speicherkapazität der darin enthaltenen Lithium-Ionen-Batterien bestimmt.

Die Elektrofahrzeugindustrie boomt

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Normalerweise verwenden wir das Konzept der Energiedichte, um die Fähigkeit einer Batterie zur Speicherung von Elektrizität zu bewerten. Es gibt einen Batterietyp, dessen Energiedichte mehr als siebenmal so hoch ist wie die einer Lithium-Ionen-Batterie. Beim Entladen wird Kohlendioxid als Brennstoff verwendet und ein Teil der im Kohlendioxid enthaltenen Energie wird in Elektrizität umgewandelt, die wir nutzen können.

Auf diese Weise kann diese magische Batterie nicht nur mehr „elektrische Energie“ freisetzen, sondern auch den Verursacher des Treibhauseffekts – Kohlendioxid – „recyceln“ und so aktiv auf das „duale Kohlenstoff“-Ziel reagieren, womit man sozusagen zwei Fliegen mit einer Klappe schlägt. Es handelt sich um die Lithium-Kohlendioxid-Batterie!

Erreichen der Ziele „Energieversorgung“ und „Dual Carbon“

(Fotoquelle: Veer Gallery)

die Energielandschaft meines Landes

Durch die kontinuierliche Reform und Entwicklung neuer und alter Energien hat mein Land derzeit schrittweise das weltweit größte Energieversorgungssystem aufgebaut und ein Energieversorgungsmuster etabliert, bei dem Kohle die Hauptrolle spielt, Elektrizität im Mittelpunkt steht und Öl, Erdgas und erneuerbare Energien umfassend entwickelt werden. Dabei macht fossile Energie den größten Teil der Energieversorgung meines Landes aus.

Die Verbrennung fossiler Brennstoffe führt zu großen Mengen an Abgasemissionen

(Fotoquelle: Veer Gallery)

mein Land legt großen Wert auf den Treibhauseffekt, der durch die großflächigen Kohlendioxidemissionen verursacht wird. Um das „duale Kohlenstoff“-Ziel so schnell wie möglich zu erreichen, hat sie eine Reihe von Richtlinien und Maßnahmen zur grünen und kohlenstoffarmen Energieentwicklung formuliert. Einerseits soll die Nutzung fossiler Brennstoffe reduziert werden, andererseits soll die Nutzung nichtfossiler Energie zur Deckung des Grundenergiebedarfs geplant werden. Die elektrochemische Energiespeicherung hat als effizientes technisches Mittel große gesellschaftliche Aufmerksamkeit erregt.

Lithium-CO2-Batterie VS Lithium-Ionen-Batterie

Aufbau und Funktionsweise von Lithium-Kohlendioxid-Akkus unterscheiden sich etwas von den uns bekannten Lithium-Ionen-Akkus. Das positive Elektrodenmaterial einer Lithium-Ionen-Batterie ist normalerweise eine lithiumhaltige Verbindung und das negative Elektrodenmaterial ist Graphit. Das Laden und Entladen wird durch die Einbettung und Freisetzung von Lithiumionen in Graphit und lithiumhaltige Verbindungen erreicht. Im Jahr 1985 entwickelte der Nobelpreisträger für Chemie Akira Yoshino die erste moderne sekundäre Lithium-Ionen-Batterie. 1991 begann Sony mit der Massenproduktion kommerzieller Lithium-Ionen-Batterien.

Kommerzielle Lithium-Ionen-Batteriemodule

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Gleichzeitig begannen Lithiumbatterie-Pioniere wie Tarascon mit der Erforschung von Lithium-Sauerstoff-Batterien, um den Anforderungen des Einsatzes unter mehr Geräten und Einschränkungen gerecht zu werden. Die positive Elektrode der Lithium-Sauerstoff-Batterie besteht aus einem lockeren und porösen leitfähigen Medium (normalerweise als gasförmige positive Elektrode bezeichnet), und die negative Elektrode besteht aus metallischem Lithium.

Der Arbeitsvorgang ist wie folgt: Während des Entladevorgangs verliert Lithium Elektronen und wird zu Lithiumionen, entweicht aus der negativen Lithiumelektrode und diffundiert dann zur positiven Elektrodenseite. gasförmiger Sauerstoff löst sich im Elektrolyten und diffundiert dann in die poröse Elektrode. An der Schnittstelle zwischen Elektrolyt und Elektrode findet eine Sauerstoffreduktionsreaktion statt, bei der sich der Sauerstoff mit Lithiumionen verbindet und feste Produkte wie Lithiumperoxid entstehen, die schließlich in den Poren der positiven Elektrode gespeichert werden. Während des Ladens zersetzt sich Lithiumperoxid und setzt Sauerstoff frei; Lithiumionen nehmen Elektronen auf und lagern sich auf der Oberfläche der negativen Elektrode ab.

Schematische Darstellung des Massentransfers und Reaktionsprozesses in einer Lithium-Sauerstoff-Batterie

(Bildquelle: Forschungsgruppe von Tan Peng an der University of Science and Technology of China)

Die Forscher fragten sich, ob Sauerstoff als Wirkstoff verwendet werden kann und ob dies auch bei anderen Gasen der Fall sein kann. Die nachfolgende Lithium-Kohlendioxid-Batterie wurde auf Basis der Lithium-Sauerstoff-Batterie entwickelt und weist einen ähnlichen Aufbau wie die Lithium-Sauerstoff-Batterie auf. Als feste Produkte entstehen bei der Entladung Lithiumcarbonat und Kohlenstoff, wodurch Energieversorgung und Kohlenstofffixierung gleichzeitig erreicht werden.

Schematische Darstellung des Aufbaus und Funktionsprinzips einer Lithium-Kohlendioxid-Batterie

(Bildquelle: Forschungsgruppe von Tan Peng an der University of Science and Technology of China)

Um den Zweck der Energiespeicherung zu erreichen, ist eine sekundäre elektrochemische Wiederaufladbarkeit erforderlich: Der Ladevorgang von Lithium-Kohlendioxid-Batterien ist der Zersetzungsprozess von Lithiumcarbonat und Kohlenstoff sowie der Ablagerungsprozess von Lithium. Wenn Sie jedoch möchten, dass die CO2-Batterie weiterhin Kohlenstoff bindet, muss sie nicht aufgeladen werden. Beim Zerfall von Lithiumcarbonat entsteht Kohlendioxid, sodass der gebundene Kohlenstoff in die Umwelt zurückfließt.

Wie also erreichen wir eine nicht wiederaufladbare Lithium-Kohlendioxid-Batterie? Eine ideale Methode besteht darin, den Elektrolyten zum Fließen zu bringen. Durch die Steuerung des Reaktionsprozesses kann der fließende Elektrolyt die bei der Entladung entstehenden Feststoffe oder Zwischenprodukte aus dem Batteriesystem abtransportieren und in einem vorbereiteten Tank speichern. Da das feste Produkt nicht in der positiven Gaselektrode gespeichert ist, ist es nicht erforderlich, es aufzuladen. Dies ist bei Lithium-Ionen-Akkus nicht möglich, da es durch das Reaktionsprinzip bedingt ist.

Es ist schwierig, Kohlendioxid zu ersetzen.

Der Weg zur Entwicklung von Lithium-Kohlendioxid-Batterien war nicht einfach. Obwohl diese Batterie eine hohe theoretische Energiedichte hat, ist ihre tatsächliche Energiedichte relativ begrenzt. Die Berechnungsmethode der Energiedichte ist sehr einfach: theoretische spezifische Kapazität (mAh/g) × theoretische Spannung (V). Wenn einer der Punkte den theoretischen Wert nicht erreicht, sinkt die Energiedichte.

Aus dem täglichen Leben sind wir mit den inerten Eigenschaften von Kohlendioxid vertraut. Es handelt sich um ein sehr stabiles Molekül, das als Hauptbestandteil von Feuerlöschern oder als Schutzgas bei Lagerung und Transport verwendet werden kann, um die Oxidation und den Atemverzehr von Obst, Gemüse und Fleisch zu verringern.

Gerade aufgrund der stabilen, inerten Natur von Kohlendioxid ist der tatsächliche Entladespannungsverlust sehr groß, obwohl die theoretische Spannung der Lithium-Kohlendioxid-Batterie in der Thermodynamik 2,8 V beträgt. Forscher meiner Gruppe fanden heraus, dass die tatsächliche Spannung von Lithium-Kohlendioxid-Batterien normalerweise bei etwa 1,1 V liegt, was es schwierig macht, hohe Spannungen ähnlich denen von Lithium-Sauerstoff-Batterien (> 2,5 V) zu erzeugen.

Lithium-CO2-Batterien haben außerdem das Problem einer kurzen Lebensdauer. Was die Kohlenstofffixierung betrifft, so können durch Erzielen eines Elektrolytflusses zwar einige feste Produkte aus dem Batteriesystem entfernt werden, es kann jedoch nicht verhindert werden, dass sie sich auf der Elektrodenoberfläche ablagern. Zudem lässt die Wirkung der Kohlenstofffixierung nach, wenn die Elektrode allmählich passiviert wird.

Zur Energiespeicherung werden Lithiumcarbonat und Kohlenstoff in fester Form in einer porösen Elektrode fixiert. Nach dem Laden der Batterie ist es schwierig, einen Teil des Lithiumcarbonats vollständig zu zersetzen. Mit der Zeit verstopfen die Poren im Inneren der Elektrode allmählich, was zu einem langsamen Materialtransfer führt. Außerdem bedeckt Lithiumcarbonat die Oberfläche der Luftelektrode, wodurch die Elektronenleitung erschwert wird. Dies führt zu einer höheren Ladespannung (> 4,0 V) und zur Zersetzung des Elektrolyts und der Elektrodenmaterialien.

Neue Batterien, neue Zukunft

Obwohl es viele Probleme gibt, gibt es immer Lösungen. Meine Forschungsgruppe untersuchte die Methode zur Regulierung der Entladespannung von Lithium-Kohlendioxid-Batterien durch Entkopplung von Luftkomponenten und erklärte so den Grund für die langfristige Instabilität ihrer Spannungstests.

Die Studie ergab, dass durch die Mischung von 1 % Sauerstoff und 500 ppm (parts per million) Wasser mit Kohlendioxid die Spannung auf etwa 2,0 V erhöht werden kann und sich auch die Energiedichte verdoppelt. Durch die Einführung von Sauerstoff und Wasser wird der Bildungsweg von Lithiumcarbonat verändert, wodurch die Energiebarriere verringert wird. Auch die Morphologie und Kristallform des Lithiumcarbonats verändern sich deutlich, wodurch das Phänomen der Elektrodenpassivierung gemildert wird, sodass die Elektrode mehr aktive Stellen für die Reaktion und Substanzadsorption bereitstellen kann und so der elektrochemische Reaktionsprozess beschleunigt wird. Diese Forschung gibt der Entwicklung und Anwendung der nächsten Generation von Lithium-Kohlendioxid-Batterien eine neue Richtung.

Um die Anwendung von Lithium-Kohlendioxid-Batterien so schnell wie möglich zu realisieren, müssen in der wissenschaftlichen Forschung folgende Anstrengungen unternommen werden: Einerseits müssen Mechanismusforschung in einer reinen Kohlendioxidumgebung durchgeführt und Komponenten (wie Katalysatoren, Elektrolyte und Elektroden) entwickelt werden, die wirklich zur Kohlendioxidreduzierung geeignet sind, anstatt frühere Forschungen oder Erfahrungen mit Lithium-Sauerstoff-Batterien zu kopieren; Führen Sie andererseits eingehende Untersuchungen zum Reaktionsmechanismus und Übertragungsprozess in gasunterstützten (wie Sauerstoff, Wasser und Kohlenmonoxid) Kohlendioxidbatterien durch, um die Rolle der Hilfsgase im System aufzudecken.

Der Einsatz anderer gasgestützter Forschungsstrategien kann nicht nur die Batterieleistung verbessern, sondern auch die Anwendung von Lithium-Kohlendioxid-Batterien in komplexeren Gasumgebungen fördern. Industrieabgase enthalten beispielsweise große Mengen Kohlendioxid und andere Gase. Kohlendioxidbatterien können zur Stromerzeugung und gleichzeitigen Kohlenstoffbindung eingesetzt werden. Da die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre des Mars extrem hoch ist, kann Kohlendioxid als „Treibstoff“ des Marsrovers zur Stromerzeugung genutzt werden …

Marsrover soll mit gasunterstützten Kohlendioxidbatterien ausgestattet werden

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Vielleicht können wir in naher Zukunft erleben, wie dieses neue Batterieunternehmen seine Fähigkeiten in der groß angelegten Abgasbehandlung oder der Erforschung des Weltraums unter Beweis stellt!

Abschluss

Auf dem Weg zur Erreichung der „Dual Carbon“-Ziele ist die Lösung von Energieproblemen eine der wichtigsten Entwicklungsrichtungen. Aufgrund ihrer Energiespeicher- und Kohlenstofffixierungseigenschaften spielen Lithium-Kohlendioxid-Batterien eine wichtige Rolle bei Energiefragen. In Zukunft wird es mehr wissenschaftliche und technologische Innovationen geben, die „Dual Carbon“ unterstützen. Wir müssen davon ausgehen, dass chinesische Wissenschaftler auf dem Weg der Innovation große Fortschritte gemacht haben.

Hinweis: Die relevanten Ergebnisse dieses Artikels wurden vom Postdoktoranden Xiao Xu und dem Doktoranden Zhang Zhuojun unter der Leitung von Professor Tan Peng erarbeitet und online in der internationalen Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) veröffentlicht.

Herausgeber: Sun Chenyu