Науковий прорив наближає до реальності батареї, що «дихають» CO₂

Вчені з Університету Суррея здійснили прорив у галузі екологічно чистих батарей, які не тільки зберігають більше енергії, а й можуть допомогти в боротьбі з викидами парникових газів. Літій-CO₂ батареї, що «дихають», вивільняють енергію, вловлюючи вуглекислий газ, пропонуючи екологічнішу альтернативу, яка в один прекрасний день може перевершити сучасні літій-іонні батареї.


Досі літій-CO₂ акумулятори не вирізнялися ефективністю - швидко зношувалися, не встигали перезаряджатися і вимагали використання дорогих рідкісних матеріалів, таких як платина. Однак дослідники із Суррея знайшли спосіб подолати ці проблеми за допомогою недорогого каталізатора під назвою фосфомолібдат цезію (CPM). Комп'ютерне моделювання та лабораторні експерименти показали, що ця проста зміна дає змогу акумулятору зберігати значно більше енергії, заряджатися з набагато меншою потужністю та працювати понад 100 циклів.

Дослідження, опубліковане в журналі Advanced Science, знаменує собою багатообіцяльний крок до реального застосування. У разі комерціалізації ці батареї могли б допомогти скоротити викиди від транспортних засобів і промислових джерел, і вчені навіть припускають, що вони могли б працювати на Марсі, де атмосфера на 95% складається з CO₂.

«Зростає потреба в рішеннях для зберігання енергії, які підтримують наше прагнення до поновлюваних джерел енергії та одночасно борються із загрозою зміни клімату, що зростає. Наша робота над літій-CO₂ батареями - це потенційна можливість втілити це бачення в реальність. Одна з найбільших проблем із цими батареями - так званий «надлишковий потенціал» - додаткова енергія, необхідна для запуску реакції. Це можна порівняти з їздою на велосипеді в гору, перш ніж ви зможете зупинитися. Ми показали, що CPM згладжує цей пагорб, а отже, батарея втрачає набагато менше енергії під час кожного заряду і розряду», повідомив доктор Сіддхарт Гадкарі (Siddharth Gadkari), викладач кафедри хімічної технології.

Щоб зрозуміти, чому CPM працює так добре, команди зі Школи хімії та хімічного інжинірингу Суррея та Інституту передових технологій використовували два підходи. По-перше, вони розбирали батарею після зарядки та розрядки, щоб вивчити хімічні зміни всередині. Ці посмертні випробування показали, що карбонат літію - з'єднання, що утворюється під час поглинання акумулятором CO₂, - можна надійно накопичувати і видаляти, що дуже важливо для тривалого використання.

Потім вони звернулися до комп'ютерного моделювання з використанням теорії функціоналу щільності (DFT), яка дає змогу дослідникам вивчити, як відбуваються реакції на поверхні матеріалу. Результати показали, що стабільна пориста структура CPM являє собою ідеальну поверхню для ключових хімічних реакцій.

«У цьому відкритті цікаво те, що воно поєднує в собі високу продуктивність і простоту. Ми показали, що можна створювати ефективні літій-CO₂ батареї, використовуючи доступні та масштабовані матеріали - не потрібні рідкісні метали. Наші результати також відкривають шлях до створення ще більш досконалих каталізаторів у майбутньому», - підсумував доктор Деніел Коммандер (Daniel Commandeur), науковий співробітник програми Surrey Future Fellow.

Це відкриття відкриває нові двері для розробки ще більш досконалих недорогих і простих у виготовленні матеріалів для батарей. При подальшому вивченні того, як ці каталізатори взаємодіють з електродами та електролітами, літій-CO₂ батареї можуть стати практичним і масштабованим способом зберігання чистої енергії, сприяючи при цьому скороченню викидів вуглецю в атмосферу.