Ce ar fi dacă o baterie ar putea genera energie, dar în același timp ar absorbi și dioxidul de carbon din atmosferă? Nu ține de domeniul științifico-fantasticului, ci este promisiunea unui domeniu de cercetare foarte la modă astăzi: bateriile litiu-dioxid de carbon (Li-CO2).
Bateriile litiu-dioxid de carbon ar putea fi o soluție doi-în-unu la problemele actuale privind stocarea energiei regenerabile și captarea emisiilor de carbon din aer. Ele absorb dioxidul de carbon și îl convertesc într-o pulbere albă denumită carbonat de litiu, în același timp cu eliberarea energiei.
Aceste baterii ar putea avea implicații profunde în ceea ce privește reducerea emisiilor de la autovehicule și din industrie. Mai mult, ele s-ar putea dovedi foarte utile pentru misiunile pe Marte, a cărei atmosferă conține 95% dioxid de carbon.
Pentru a face aceste baterii disponibile publicului larg, oamenii de știință au trebuit să se lupte cu probleme legate de reîncărcarea lor. Cercetătorii de la Universitatea din Surrey, Marea Britanie, au venit cu o ideea promițătoare în acest sens.
La fel ca multe alte descoperiri științifice revoluționare, bateriile litiu-dioxid de carbon au fost un accident fericit. În urmă cu zece ani, o echipă de cercetători franco-americană încerca să rezolve problemele asociate cu bateriile litiu-aer – o altă tehnologie de stocare a energiei de frontieră. În timp ce bateriile litiu-ion de astăzi generează energie prin deplasarea și stocarea ionilor de litiu la nivelul electrozilor, bateriile litiu-aer funcționează prin crearea unei reacții chimice între litiu și oxigen.
Provocarea legată de bateriile litiu-aer o reprezintă chiar aerul, deoarece chiar și o fracție minusculă (de doar 0,04%) de dioxid de carbon prezentă în aer este suficientă pentru a perturba aceste procese chimice, ducând la formarea de carbonat de litiu nedorit (același lucru este valabil și pentru bateriile litiu-ion, în care formarea carbonatului de litiu duce la reacții secundare și la rezistență electrică).
Cu toate acestea, oamenii de știință au observat ceva interesant legat de această contaminare cu CO₂: aceasta a îmbunătățit nivelul de încărcare al bateriei. Din acest moment, au început lucrările de adăugare intenționată de dioxid de carbon în baterii pentru a profita de acest lucru și astfel s-a născut bateria litiu-dioxid de carbon.
Cum funcționează?
Potențialul ridicat al bateriilor litiu-dioxid de carbon este legat de reacția chimică ce are loc la polul pozitiv al bateriei, unde sunt realizate mici orificii în carcasă pentru a permite pătrunderea dioxidului de carbon. Aici acesta se dizolvă în electrolitul lichid (ceea ce permite sarcinii electrice să se deplaseze între electrozi) și reacționează cu litiul ce a fost deja dizolvat acolo. Se crede că în timpul acestei reacții sunt schimbați patru electroni între ionii de litiu și dioxidul de carbon.
Acest transfer de electroni determină sarcina teoretică ce poate fi stocată în baterie. Într-o baterie litiu-ion obișnuită, electrodul pozitiv schimbă doar un electron la fiecare reacție (în bateriile litiu-aer sunt schimbați 2-4 electroni). Rata de schimb de electroni mai mare a bateriei litiu-dioxid de carbon, combinată cu tensiunea mai ridicată a reacției, explică potențialul mai ridicat al acesteia de a depăși bateriile litiu-ion.
Cu toate acestea, tehnologia se confruntă cu o serie de provocări. Aceste baterii nu țin prea mult. Bateriile litiu-ion din comerț pot suport cu ușurință 1.000-10.000 de cicluri de încărcare; majoritatea bateriilor litiu-dioxid de carbon se epuizează după mai puțin de 100 de cicluri.
De asemenea, ele sunt dificil de reîncărcat. Procesul de reîncărcare necesită descompunerea carbonatului de litiu în litiu și dioxid de carbon, ceea ce poate consuma multă energie. Această energie poartă denumirea de suprapotențial.
Această cerință poate fi contracarată prin imprimarea unui material catalizator potrivit pe electrodul pozitiv poros. Cu toate acestea, acești catalizatori sunt, de obicei, metale nobile scumpe și rare, cum ar fi ruteniul și platina, ceea ce reprezintă o barieră semnificativă în calea viabilității comerciale.
Însă cercetătorii au găsit un catalizator alternativ, fosfomolibdatul de cesiu, care este mult mai ieftin și ușor de fabricat la temperatura camerei. Acest material au stabilizat bateriile pentru 107 cicluri de încărcare, adăugând de 2,5 ori mai multă sarcină comparativ cu o baterie litiu-ion. Iar costul energetic pentru descompunerea carbonatului de litiu a fost redus semnificativ, la un suprapotențial de 0,67 volți.
Echipa de cercetători caută în continuare să mai reducă din costurile acestei tehnologii prin dezvoltarea unui catalizator care să înlocuiască cesiul, deoarece doar fosfomolibdatul este compusul-cheie. Aceasta ar putea face sistemul mai viabil și mai scalabil.
Un obiectiv major al testelor viitoare va fi evaluarea performanței bateriei la diferite presiuni ale CO₂. Până în prezent, sistemul a fost testat doar în condiții ideale (1 bar). Dacă poate funcționa la o presiune de 0,1 bar, va fi fezabil pentru țevile de eșapament ale mașinilor și coșurile de fum ale boilerelor pe gaz, ceea ce înseamnă că s-ar putea capta CO₂ de la mașină sau de la încălzirea locuinței.
Demonstrarea faptului că acest lucru funcționează va fi o confirmare importantă a viabilității comerciale, deși ne-am aștepta ca posibilitatea de încărcare a bateriei să se reducă la această presiune. Conform calculelor aproximative, 1 kg de catalizator ar putea absorbi aproximativ 18,5 kg de CO₂. Întrucât o mașină care parcurge 160 km emite aproximativ 18-20 kg de dioxid de carbon, aceasta înseamnă că o astfel de baterie ar putea compensa o zi de condus.
Dacă bateriile funcționează la 0,006 bari, presiunea din atmosfera marțiană, acestea ar putea alimenta orice, de la un rover de explorare până la o colonie. La 0,0004 bari, presiunea parțială a dioxidului de carbon din atmosfera Pământului, acestea ar putea capta CO₂ din atmosfera noastră și stoca energie oriunde. În toate cazurile, întrebarea-cheie va fi cum afectează aceasta capacitatea de încărcare a bateriei.
Între timp, pentru a îmbunătăți numărul de cicluri de reîncărcare ale bateriei, trebuie abordată problema uscării electrolitului. În prezent, sunt căutate soluții, care probabil implică dezvoltarea unor carcase în care poate pătrunde doar dioxidul de carbon.
În ceea ce privește reducerea energiei necesare pentru funcționarea catalizatorului, este probabil să fie necesară optimizarea geometriei bateriei pentru a maximiza rata de reacție – și pentru a introduce un flux de CO₂, comparabil cu modul în care funcționează pilele de combustie (de obicei, prin alimentarea cu hidrogen și oxigen).
Dacă durata de viață a bateriei ar putea fi crescută peste 1.000 de cicluri, dacă suprapotențialul ar putea fi redus sub 0,3 V și dacă ar putea fi înlocuite complet toate elementele rare, bateriile comerciale Li-CO₂ ar putea deveni realitate.
Sursa: The Conversation