用于从发电厂捕获二氧化碳的电池

麻省理工学院的研究人员开发的一种电池可以部分地由发电厂捕获的二氧化碳制成。这种电池可以在放电过程中不断地将二氧化碳转化为固体矿物碳酸盐，而不是试图使用金属催化剂将二氧化碳转化为专门的化学物质，这在目前是非常具有挑战性的。

虽然目前仍处于早期研究阶段，距离商业应用还很远，但这种新的电池配方可以为定制电化学二氧化碳转化反应开辟新的途径，最终有助于减少温室气体向大气的排放。这种电池由锂金属、碳和研究人员设计的电解质制成。

目前，配备了碳捕获系统的发电厂通常会将其产生的电力的30%用于捕获、释放和储存二氧化碳。研究人员说，任何能够降低捕获过程成本，或者能够产生有价值的最终产品的方法，都可能显著改变这类系统的经济效益。

然而，“二氧化碳的反应性不是很强，”机械工程副教授Betar Gallant说，所以“试图找到新的反应途径是很重要的。”通常，使二氧化碳在电化学条件下表现出显著活性的唯一方法是以高电压的形式输入大量能量，这可能是一个昂贵且低效的过程。

理想情况下，这些气体会发生反应，产生一些有价值的东西，比如有用的化学物质或燃料。然而，通常在水中进行的电化学转化的努力仍然受到能量投入高和所产生的化学物质选择性差的阻碍。

加兰特和她的同事们的专业知识与非水(非水基)电化学反应有关，比如锂基电池的电化学反应，他们研究了二氧化碳捕获化学是否可以用于制造含有二氧化碳的电解质——电池的三个重要组成部分之一——在电池放电期间，捕获的气体可以用来提供电力输出。

这种方法与将二氧化碳释放回气相进行长期储存不同，后者目前被用于碳捕获和封存(CCS)。该领域通常着眼于通过化学吸收过程从发电厂捕获二氧化碳的方法，然后将其储存在地下地层中，或者通过化学方法将其转化为燃料或化学原料。

相反，这个团队开发了一种新的方法，可以在发电厂的废物流中使用，以制造电池主要部件之一的材料。

虽然最近人们对锂-二氧化碳电池的开发越来越感兴趣，但二氧化碳的低反应性通常需要使用金属催化剂。锂-二氧化碳电池在放电过程中使用气体作为反应物。这些药物不仅价格昂贵，而且对它们的功能也知之甚少，而且反应也难以控制。

然而，加兰特和她的同事们发现了一种仅使用碳电极就能实现电化学二氧化碳转化的方法。关键是通过将二氧化碳掺入胺溶液来预激活二氧化碳。

Gallant说:“我们第一次展示的是，这项技术可以激活二氧化碳，以实现更简单的电化学反应。”“这两种化学物质——水胺和非水电池电解质——通常不会一起使用，但我们发现它们的结合赋予了新的和有趣的行为，可以增加放电电压，并允许二氧化碳的持续转化。”

他们通过一系列的实验证明这种方法是有效的，并且可以生产出电压和容量与最先进的锂气体电池相竞争的锂二氧化碳电池。此外，胺作为在反应中不被消耗的分子启动子。

关键是开发合适的电解质系统。在最初的概念验证研究中，他们决定使用非水电解质，因为它可以限制可用的反应途径，因此更容易表征反应并确定其可行性。他们选择的胺材料目前用于CCS应用，但以前没有应用于电池。

研究人员说，这个早期的系统尚未得到优化，需要进一步开发。一方面，电池的循环寿命被限制在10次充放电循环，因此需要更多的研究来提高可充电性，防止电池组件的退化。“锂-二氧化碳电池还需要几年的时间”才能成为一种可行的产品，Gallant说，因为这项研究只涵盖了使其实用所需的几个进步中的一个。

加兰特表示，这一概念提供了巨大的潜力。碳捕获被广泛认为对实现减少温室气体排放的全球目标至关重要，但目前还没有经过验证的长期处理或利用所有产生的二氧化碳的方法。地下地质处置仍然是主要的竞争者，但这种方法在某种程度上仍未得到证实，并且可能受到其容纳量的限制。钻井和抽水也需要额外的能源。

研究人员还在研究开发该工艺的连续操作版本的可能性，该方法将在压力下使用稳定的二氧化碳流与胺材料，而不是预先加载材料，因此只要电池提供二氧化碳，它就可以提供稳定的功率输出。最终，他们希望把它变成一个集成系统，既能从发电厂的排放流中捕获二氧化碳，又能将其转化为可用于电池的电化学材料。

“这是一种将其作为有用产品的方法，”Gallant说。

麻省理工学院(MIT)

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- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程能源和能源新闻．

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