Μπαταρίες που απορροφούν τις εκπομπές άνθρακα: Φαντασία ή πραγματικότητα;

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Οι μπαταρίες λιθίου-διοξειδίου του άνθρακα (Li-CO₂) θα μπορούσαν να είναι μια συνδυαστική λύση στα προβλήματα της αποθήκευσης ανανεώσιμης ενέργειας και της δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα. Οι εν λόγω μπαταρίες απορροφούν διοξείδιο του άνθρακα και το μετατρέπουν σε ανθρακικό λίθιο, κατά την εκφόρτιση τους. Οι μπαταρίες θα μπορούσαν να έχουν καταλυτικές επιπτώσεις στη μείωση των εκπομπών από τις μεταφορές και τη βιομηχανία και θα μπορούσαν ακόμη και να επιτρέψουν μακροχρόνιες αποστολές στον Άρη, όπου η ατμόσφαιρα αποτελείται από 95% CO₂.

Για να γίνουν αυτές τις μπαταρίες εμπορικά βιώσιμες, η σχετική έρευνα επικεντρώνεται κυρίως σε προβλήματα που σχετίζονται με την επαναφόρτιση τους. Μία ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Surrey έχει κάνει σημαντικά βήματα σε αυτό τον τομέα. Πόσο κοντά είναι λοιπόν αυτές οι μπαταρίες που «αναπνέουν CO₂» στο να γίνουν πραγματικότητα;

Όπως πολλές μεγάλες επιστημονικές ανακαλύψεις, οι μπαταρίες Li-CO₂ ήταν ένα «ευτυχές ατύχημα». Πριν από σχεδόν μια δεκαετία, μια αμερικανο-γαλλική ομάδα ερευνητών προσπαθούσαν να αντιμετωπίσουν προβλήματα με τις μπαταρίες αέρα-λιθίου, μια άλλη τεχνολογία αιχμής για την αποθήκευση ενέργειας. Ενώ οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου παράγουν ενέργεια μετακινώντας και αποθηκεύοντας ιόντα λιθίου μέσα στα ηλεκτρόδια, οι μπαταρίες αέρα-λιθίου λειτουργούν δημιουργώντας μια χημική αντίδραση μεταξύ λιθίου και οξυγόνου.

Το πρόβλημα ήταν ένα συστατικό του «αέρα», αφού ακόμη και ο μικροσκοπικός (0,04%) όγκος CO₂ που βρίσκεται στην ατμόσφαιρα, ήταν υπερ-αρκετός για να διαταράξει το σύστημα και να παράγει ανεπιθύμητο ανθρακικό λίθιο (Li₂CO₃). Όπως είναι γνωστό, η παρουσία Li₂CO₃ στις κανονικές μπαταρίες ιόντων λιθίου προκαλεί προβλήματα και ηλεκτρική αντίσταση.

Ωστόσο, οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι αυτή η «μόλυνση με CO₂» βελτίωσε τα επίπεδα φόρτισης της μπαταρίας. Από αυτό το σημείο και μετά, άρχισαν οι έρευνες για σκόπιμη προσθήκη αερίου CO₂ στις μπαταρίες και κάπως έτσι προέκυψαν οι μπαταρίες Li-CO₂.

Το μεγάλο δυναμικό των μπαταριών Li-CO₂ σχετίζεται με τη χημική αντίδραση στη θετική πλευρά της μπαταρίας, όπου γίνονται μικρές οπές στο περίβλημα για να εισέλθει αέριο CO₂ από την ατμόσφαιρα. Το διοξείδιο του άνθρακα διαλύεται στον υγρό ηλεκτρολύτη (που επιτρέπει στο φορτίο να κινείται μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων) και αντιδρά με το λίθιο που βρίσκεται ήδη διαλυμένο εκεί. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, πιστεύεται ότι ανταλλάσσονται τέσσερα ηλεκτρόνια μεταξύ ιόντων λιθίου και διοξειδίου του άνθρακα. Αυτή η μεταφορά ηλεκτρονίων καθορίζει το θεωρητικό φορτίο που μπορεί να αποθηκευτεί στην μπαταρία.

Σε μια κανονική μπαταρία ιόντων λιθίου, το θετικό ηλεκτρόδιο ανταλλάσσει μόνο ένα ηλεκτρόνιο ανά αντίδραση (ενώ οι μπαταρίες λιθίου-αέρα, ανταλλάσσουν δύο έως τέσσερα ηλεκτρόνια). Η μεγαλύτερη ανταλλαγή ηλεκτρονίων στη μπαταρία λιθίου-διοξειδίου του άνθρακα, σε συνδυασμό με την υψηλή τάση της αντίδρασης, εξηγεί γιατί οι δυνατότητες των μπαταριών αυτών ξεπερνούν κατά πολύ τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Ωστόσο, η τεχνολογία παρουσιάζει μερικά μειονεκτήματα. Οι μπαταρίες δε διαρκούν πολύ. Τα εμπορικά πακέτα μπαταριών ιόντων λιθίου έχουν διάρκεια ζωής από 1.000 έως 10.000 κύκλους φόρτισης. Όμως, τα περισσότερα πρωτότυπα των μπαταριών Li-CO₂ αρχίζουν να φθείρονται μετά από λιγότερους από 100 κύκλους. Είναι επίσης δύσκολο να επαναφορτιστούν καθώς αυτό απαιτεί τη διάσπαση του ανθρακικού λιθίου για την απελευθέρωση λιθίου και CO₂, μία αντίδραση η οποία μπορεί να είναι ενεργοβόρα (overpotential). 

Οι επιστήμονες εστίασαν σε αυτή την απαίτηση και χρησιμοποιήσαν διάφορα καταλυτικά υλικά στο πορώδες θετικό ηλεκτρόδιο. Ωστόσο, αυτοί οι καταλύτες είναι συνήθως ακριβά και σπάνια ευγενή μέταλλα, όπως το ρουθήνιο και ο λευκόχρυσος, γεγονός που αποτελεί σημαντικό εμπόδιο στην εμπορική βιωσιμότητα των μπαταριών Li-CO₂.

Η ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου του Surrey βρήκε έναν εναλλακτικό καταλύτη με βάση το καίσιο (caesium phosphomolybdate), ο οποίος είναι πολύ φθηνότερος και εύκολος στη διαχείριση του σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό το υλικό έκανε τις μπαταρίες σταθερές για 107 κύκλους, ενώ αποθηκεύει επίσης 2,5 φορές περισσότερη ενέργεια από ένα ιόν λιθίου. Επιπλέον, μείωσε σε μεγάλο βαθμό το ενεργειακό κόστος που συνεπάγεται η διάσπαση του ανθρακικού λιθίου, επιτυγχάνοντας overpotential 0,67V, το οποίο είναι μόλις διπλάσιο από αυτό που θα ήταν απαραίτητο σε ένα εμπορικό προϊόν.

Η ερευνητική ομάδα εργάζεται τώρα για να μειώσει περαιτέρω το κόστος αυτής της τεχνολογίας, αναπτύσσοντας έναν καταλύτη χωρίς καίσιο, καθώς θεωρούν ότι βασικό συστατικό της τεχνολογίας που αναπτύσσουν είναι το phosphomolybdate. Ένας τέτοιςο καταλύτης θα μπορούσε να καταστήσει το σύστημα πιο οικονομικά βιώσιμο και επεκτάσιμο για ευρεία ανάπτυξη.

Η ερευνητική ομάδα σκοπεύει επίσης επίσης να μελετήσει τον τρόπο με τον οποίο η μπαταρία φορτίζεται και αποφορτίζεται σε πραγματικό χρόνο ώστε να προκύψει σαφέστερη κατανόηση των εσωτερικών μηχανισμών που διέπουν τη λειτουργία της μπαταρίας, συμβάλλοντας στη βελτιστοποίηση της απόδοσης και της αντοχής.

Στις σχεδιαζόμενες δοκιμές έχει ενταχθεί η αξιολόγηση της απόδοσης της μπαταρίας υπό διαφορετικές πιέσεις CO₂. Μέχρι στιγμής, το σύστημα έχει δοκιμαστεί μόνο σε πίεση 1 bar. Εάν μπορεί να λειτουργήσει σε πίεση 0,1 bar, θα είναι εφικτό να χρησιμοποιηθεί στις εξατμίσεις των αυτοκινήτων και τους καπναγωγούς των λεβήτων αερίου, γεγονός που σημαίνει ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί το διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται ενώ οδηγείτε το όχημα σας ή θερμαίνετε το σπίτι σας.

Η απόδειξη της λειτουργίας σε μειωμένες πιέσεις CO₂ θα είναι μια σημαντική επιβεβαίωση της εμπορικής βιωσιμότητας των μπαταριών Li-CO₂, αν και αναμένεται να μειωθεί η χωρητικότητα φόρτισης της μπαταρίας σε αυτές τις πιέσεις. Με πρόχειρους υπολογισμούς, 1 κιλό καταλύτη θα μπορούσε να απορροφήσει περίπου 18,5 κιλά CO₂. Από τη στιγμή που ένα αυτοκίνητο εκπέμπει περίπου 18-20kg CO₂ για κάθε 100 μίλια που διανύει, αυτό σημαίνει ότι μια τέτοια μπαταρία θα μπορούσε ενδεχομένως να αντισταθμίσει την ενέργεια που απαιτείται για τις ημερήσιες διαδρομές.

Εάν οι μπαταρίες λειτουργούν στα 0,006 bar, την πίεση στην ατμόσφαιρα του Άρη, θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν οτιδήποτε, από ένα ερευνητικό ρόβερ μέχρι μια αποικία. Στα 0,0004 bar, δηλαδή στα επίπεδα πίεσης του CO₂ στη γήινη ατμόσφαιρα, οι μπαταρίες αυτές θα μπορούσαν να δεσμεύσουν CO₂ από την ατμόσφαιρά και να αποθηκεύσουν ενέργεια οπουδήποτε. Σε όλες τις περιπτώσεις, το βασικό ερώτημα θα είναι πώς επηρεάζει η πτώση της πίεσης τη χωρητικότητα φόρτισης της μπαταρίας.

Εν τω μεταξύ, για να βελτιωθεί ο αριθμός των κύκλων επαναφόρτισης της μπαταρίας, πρέπει να αντιμετωπιστεί το γεγονός ότι ο ηλεκτρολύτης ξηραίνεται λόγω της ύπαρξης οπών για την είσοδο του ατμοσφαιρικού CO₂. Αυτήν τη στιγμή διερευνώνται λύσεις, οι οποίες πιθανώς περιλαμβάνουν την ανάπτυξη περιβλημάτων, από τα οποία μπορεί να διέλθει μόνο το διοξείδιο του άνθρακα.

Όσον αφορά τη μείωση της ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία του καταλύτη, είναι πιθανό να απαιτείται βελτιστοποίηση της γεωμετρίας της μπαταρίας για να μεγιστοποιηθεί ο ρυθμός αντίδρασης, καθώς και ο σχεδιασμός μίας εισροής CO₂, συγκρίσιμης με τον τρόπο που λειτουργούν οι κυψέλες καυσίμου (συνήθως με τροφοδοσία με υδρογόνο και οξυγόνο).

Εάν η έρευνα των επιστημόνων στο Surrey εξασφαλίσει διάρκεια ζωής της μπαταρίας πάνω από τους 1.000 κύκλους, μειώσει το overpotential κάτω από 0,3 V και αντικαταστήσει εξ ολοκλήρου τα κρίσιμα στοιχεία, τα εμπορικά πακέτα μπαταριών Li-CO₂ θα μπορέσουν να γίνουν πραγματικότητα. Τα πειράματα της ερευνητικής ομάδας θα καθορίσουν πόσο ευέλικτες και εκτεταμένες μπορεί να είναι οι εφαρμογές της μπαταρίας, από τη δέσμευση άνθρακα στη Γη έως την ενεργειακή τροφοδότηση των αποστολών στον Άρη.

Με πληροφορίες από theconversation.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR