تبدیل CO2 به نیروی باتری؟ چین انتشار گازها را به انرژی برای کاوشگرهای مریخ و ربات‌ها تبدیل می‌کند
یک کاتالیزور دو طرفه جدید که توسط محققان دانشگاه تسینگوآ در چین توسعه داده شده است می‌تواند پیشرفت‌های جدیدی در توسعه باتری‌های لیتیوم-دی‌اکسیدکربن (Li-CO2) ایجاد کند. این باتری‌ها قادر به تامین انرژی برای کاوشگرها هستند و می‌توانند انتشار گازها را به منبعی تبدیل کنند که می‌توان در مریخ و فراتر از آن استفاده کرد.
باتری‌های لیتیوم-یونی بخشی مهمی از گذار ما به اقتصادهای پاک‌تر و سبزتر بدون انتشار کربن هستند. باتری‌هائی که بیشترین چگالی انرژی را ذخیره می کنند برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی و ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر برای استفاده بعدی استفاده می‌شوند.
با این حال، وزن این باتری‌ها استفاده از آنها را در بخش‌هایی مانند هوا فضا و هواپیمایی نامناسب می‌سازد، جایی که باتری‌های سبک‌تر با برد طولانی‌تر و قدرت خروجی بیشتر مورد نیاز است. در اینجا، یک باتری لیتیوم-دی‌اکسیدکربن که قادر به تحویل تا ۱۰ برابر چگالی انرژی یک باتری لیتیوم-یونی است می‌تواند کمک کند.
یک باتری Li-CO2 چگونه کار می‌کند؟
یک باتری Li-CO2 شامل یک الکترولیت غیرآبی و الکترودهایی ساخته شده از لیتیوم و یک ماده متخلخل است. لیتیوم به عنوان آند عمل می‌کند، در حالی که ماده متخلخل به عنوان کاتد عمل می‌کند، جایی که دی‌اکسیدکربن در طی فرآیند تخلیه باتری به کربنات‌لیتیوم کاهش می‌یابد.
علاوه بر سبک‌تر کردن باتری‌ها ، این فرآیند همچنین مستقیماً از گاز دی‌اکسیدکربن استفاده می‌کند، که یا مستقیماً از هوا گرفته می‌شود یا از طریق فناوری‌های جذب کربن که در تأسیسات مختلف تولیدی نصب شده‌اند به این منظور گرفته می‌شود. این امر آن را به منبعی حیاتی برای کاهش انتشار گازهای کربن زمین تبدیل می‌کند.
از آن‌جایی که این فناوری همچنین به کاهش اندازه باتری کمک می‌کند، می‌توان آن را به مقصدهای دوردستی مانند مریخ ارسال کرد تا به کاوشگرها و تجهیزات الکترونیکی نیروی لازم را برساند. جایی که دی‌اکسیدکربن در اتمسفر فراوان است، می‌تواند به صورت محلی نیز تهیه شود.
با این حال، چالش باتری‌های Li-CO2، کارایی پایین انرژی و واکنش‌پذیری ضعیف در کاتد متخلخل است. تیمی از محققان به سرپرستی گوانگمین ژو در دانشگاه تسینگوآ با بهبود طراحی کاتد این مسئله را حل کرده‌اند.
چگونه کاتد بهبود یافت؟
تیم ژو کاتد متخلخل را با افزودن کریستال‌های فوق‌العاده کوچک مولیبدن دی‌سولفید (MoS2) که به صورت عمودی روی صفحات کبالت پنتلاندیت (Co9S8) رشد کرده‌اند، با استفاده از کاغذ کربنی بهبود دادند.
“ما یک ماده دو بعدی طراحی کردیم که تعداد زیادی مکان‌های دوگانه فعال - محل‌های لبه MoS2 و مکان‌های فعال Co9S8 - داشت که اثرات هم‌افزایی واضحی را برای تسهیل واکنش‌های سینتیک نشان می‌دهند،” ژو در یک بیانیه مطبوعاتی گفت.
دو مولکول اضافی مکان‌های فعال بیشتر روی کاتد متخلخل برای انتشار گاز CO2 و جریان الکترولیت فراهم می‌کنند. این امر به پروسه‌های شارژ و دشارژ اجازه می‌دهد تا به صورت کارآمدتر رخ دهند.
پس از معرفی این کاتد در یک باتری Li-CO2، تیم ژو دریافت که کارایی انرژی باتری بیش از 81 درصد بهبود یافته است. در حالی که این قابل توجه است، ما هنوز از دیدن استقرار باتری‌های Li-CO2 در آینده‌ای نزدیک فاصله داریم.
باتری همچنین نیاز به بهبود در سیستم الکترولیت و طراحی آند دارد که هنوز کامل نشده است. برای استقرار تجاری، باتری‌های Li-CO2 نیاز به آزمایش کاربران با عمر طولانی و برآورده کردن برخی معیارهای ایمنی دارند. استفاده از لایه‌نشانی پایدار لیتیوم در آند می‌تواند به جلوگیری از انباشت فلز ناخواسته کمک کند که تیم ژو در حال کار روی آن است.
نتایج تحقیقات در ژورنال PNAS منتشر شد.
