Istraživači iz Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Ministarstva energetike SAD-a razvijaju baterijske tehnologije koje pomažu u borbi protiv klimatskih promjena na dva načina: širenjem uporabe obnovljive energije i hvatanjem ugljikovog dioksida iz zraka.

Ova vrsta baterije pohranjuje obnovljivu energiju generiranu solarnim panelima ili vjetroturbinama. Korištenje te energije kada vjetar i sunčeva svjetlost nisu dostupni zahtijeva elektrokemijsku reakciju koja, u novoj formulaciji baterije iz ORNL-a, hvata ugljikov dioksid iz industrijskih emisija i pretvara ga u proizvode s dodanom vrijednošću.

Znanstvenici iz ORNL-a nedavno su stvorili i testirali dvije različite formulacije baterija koje ugljikov dioksid (CO2) pretvaraju u čvrsti oblik koji se može koristiti u drugim proizvodima. Jedan od tih novih tipova baterija zadržao je kapacitet tijekom 600 sati uporabe i mogao je pohraniti do 10 sati električne energije. Istraživači su također identificirali, proučili i prevladali glavni izazov, deaktivaciju uzrokovanu kemijskim nakupljanjem, koja je bila prepreka za drugu formulaciju baterije.

"Transformacijska energetska znanost i tehnologija (TEST) inicijativa u ORNL-u upravo je ona vrsta napora koja je potrebna za rješavanje klimatskih promjena. Oduševljeni smo što ORNL ulaže u inovativne ideje i pristupe koji mogu transformirati način na koji razmišljamo o pohranjivanju energije izvan litij-ionskih baterija i drugih konvencionalnih sustava elektrokemijske pohrane energije," rekao je Ilias Belharouak, korporativni stipendist ORNL-a i direktor inicijative.

Baterije djeluju putem elektrokemijskih reakcija koje premještaju ione između dviju elektroda kroz elektrolit. Za razliku od baterija za mobitele ili automobile, one dizajnirane za pohranu energije u mreži ne moraju funkcionirati kao prijenosni, zatvoreni sustavi. To je omogućilo istraživačima iz ORNL-a da stvore i testiraju dvije vrste baterija koje mogu pretvoriti CO2 iz stacionarnih, industrijskih izvora.

Primjerice, CO2 generiran u elektrani mogao bi se pumpati kroz cijev u tekući elektrolit, stvarajući mjehuriće slične onima u gaziranom piću. Tijekom rada baterije, plinski mjehurići pretvaraju se u čvrsti prah.

Svaka komponenta baterije može biti izrađena od različitih elemenata ili spojeva. Ti izbori određuju radni vijek baterije, koliko energije može pohraniti, kolika je i koliko brzo puni ili troši energiju. Od novih formulacija baterija iz ORNL-a, jedna kombinira CO2 s natrijem iz slane vode koristeći jeftin željezno-niklni katalizator. Druga kombinira plin s aluminijem.

Svaki pristup koristi obilne materijale i tekući elektrolit u obliku slane vode, ponekad pomiješan s drugim kemikalijama. Baterije su sigurnije od postojeće tehnologije jer su njihove elektrode stabilne u vodi, rekao je vodeći istraživač Ruhul Amin.

Istraživanja baterija s CO2 vrlo su ograničena. Raniji pristupi oslanjali su se na reverzibilnu metal-CO2 reakciju koja ponovno generira ugljikov dioksid, čime se nastavlja pridonositi stakleničkim plinovima u atmosferi. Osim toga, čvrsti proizvodi pražnjenja imaju tendenciju začepljenja površine elektrode, čime se smanjuje učinkovitost baterije.

Međutim, baterije s CO2 razvijene u ORNL-u ne ispuštaju ugljikov dioksid. Umjesto toga, karbonatni nusprodukt se otapa u tekućem elektrolitu. Nusprodukt ili kontinuirano obogaćuje tekućinu za poboljšanje performansi baterije ili se može filtrirati s dna spremnika bez prekida rada baterije. Dizajn baterije čak se može prilagoditi za stvaranje više tih nusproizvoda za uporabu u farmaceutskoj ili cementnoj industriji. Jedini plinovi koji se oslobađaju su kisik i vodik, koji ne pridonose klimatskim promjenama i mogu se čak hvatati za proizvodnju energije ili goriva.

Istraživači iz ORNL-a koristili su gotovo potpuno novu kombinaciju materijala za ove baterije s CO2. Nekoliko sličnih prethodnih dizajna radilo je samo kratko vrijeme ili su koristili skupe metale.

Baterija natrij-ugljikov dioksid (Na-CO2) razvijena je prva i suočila se s nekim preprekama. Za funkcioniranje ovog sustava, elektrode moraju biti odvojene u mokrim i suhim komorama s čvrstim ionskim vodičem između njih. Barijera usporava kretanje iona, što zauzvrat usporava rad baterije, smanjujući učinkovitost baterije.

Jedan značajan izazov za ovu bateriju Na-CO2 je taj što se nakon dugotrajne uporabe na površini elektrode stvara film koji na kraju uzrokuje deaktivaciju baterije. Aminov istraživački tim koristio je visoko specijalizirane mikroskope i rendgenske tehnike za ispitivanje ćelije baterije kada je prestala raditi i u različitim fazama rada.

Proučavanje kako se film formirao pomoglo je istraživačima da shvate kako ga ponovno razbiti. Bili su zaintrigirani kad su shvatili da se baterija može ponovno aktivirati ili spriječiti deaktivaciju jednostavnim promjenama u ciklusu punjenja/pražnjenja. Nejednaki impulsi punjenja i pražnjenja spriječili su nakupljanje filma na elektrodi.

"Po prvi put izvještavamo da se deaktivirana ćelija može ponovno aktivirati," rekao je Amin. "I otkrili smo izvor deaktivacije i aktivacije. Ako simetrično punite i praznite bateriju predugo, ona na kraju prestaje raditi. Ako koristite protokol koji smo uspostavili za našu ćeliju, šansa za neuspjeh je vrlo mala."

Sljedeći korak bio je fokusiranje na dizajn baterije aluminij-ugljikov dioksid (Al-CO2). Tim je eksperimentirao s različitim elektrolitima i tri različita procesa sinteze kako bi identificirao najbolju kombinaciju. Rezultat je bila baterija koja pruža dovoljno pohrane za više od 10 sati električne energije koja se može koristiti kasnije.

"To je ogromno za dugotrajnu pohranu," rekao je Amin. "Ovo je prva Al-CO2 baterija koja je mogla raditi sa stabilnošću kroz dulje vrijeme, što je cilj. Držanje samo nekoliko sati pohranjene energije ne pomaže."

Testiranja su pokazala da baterija iz ORNL-a može raditi više od 600 sati bez gubitka kapaciteta, rekao je Amin - mnogo više od jedine prethodno prijavljene Al-CO2 baterije, koja je bila testirana samo osam sati ciklusa.

Dodatna prednost je da ova baterija hvata gotovo dvostruko više ugljikovog dioksida od Na-CO2 baterije. Može biti dizajnirana tako da sustav radi u jednoj komori, s obje elektrode u istoj tekućoj otopini, tako da nema barijere za kretanje iona.

Izazov za Al-CO2 bateriju je približiti je komercijalnoj primjeni, rekao je Amin. Ipak, tim će nastaviti sustavno proučavati njene karakteristike kako bi produžio radni vijek i učinkovitije hvatao CO2. Za konkurentnost Na-CO2 baterije, tim će se fokusirati na razvoj vrlo fine, guste, mehanički stabilne keramičke membrane za odvajanje komora baterije.

Ostali znanstvenici iz ORNL-a koji su pridonijeli projektu uključuju Marma Dixita, Mengyu Lija, Sabine Neumayer, Yaocaija Baija, Iliasa Belharouaka, Anuja Bishta, Yanga Guanga i bivšeg istraživača ORNL-a Rachida Essehlija. Istraživanje je financirano kroz program Laboratorijski usmjerenih istraživanja i razvoja (LDRD) ORNL-a. Istraživanje baterija natrij-CO2 koristilo je Centar za nanofazne materijale, korisničku ustanovu Ministarstva energetike pri ORNL-u.

UT-Battelle upravlja ORNL-om za Ured za znanost Ministarstva energetike, koji je najveći pojedinačni podržavatelj osnovnih istraživanja u fizičkim znanostima u Sjedinjenim Državama. Ured za znanost radi na rješavanju nekih od najvažnijih izazova našeg vremena. Više informacija možete pronaći na energy.gov/science.

Izvor: Oak Ridge National Laboratory