Un nuevo tipo de batería desarrollado por investigadores del MIT podría fabricarse en parte a partir del dióxido de carbono capturado de las centrales eléctricas. En lugar de intentar convertir el dióxido de carbono en productos químicos especializados utilizando catalizadores metálicos, que actualmente es un gran desafío, esta batería podría convertir continuamente dióxido de carbono en un carbonato mineral sólido a medida que se descarga.

Si bien todavía se basa en una investigación en etapa inicial y está lejos del despliegue comercial, la nueva formulación de la batería podría abrir nuevas vías para adaptar las reacciones electroquímicas de conversión de dióxido de carbono, lo que, en última instancia, puede ayudar a reducir la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera.

La batería está hecha de metal de litio, carbón, y un electrolito que diseñaron los investigadores. Los hallazgos se describen hoy en la revista. Joule , en un artículo del profesor asistente de ingeniería mecánica Betar Gallant, estudiante de doctorado Aliza Khurram, y postdoctorado Mingfu He.

En la actualidad, Las plantas de energía equipadas con sistemas de captura de carbono generalmente usan hasta el 30 por ciento de la electricidad que generan solo para alimentar la captura, liberación, y almacenamiento de dióxido de carbono. Cualquier cosa que pueda reducir el costo de ese proceso de captura, o que puede resultar en un producto final que tiene valor, podría cambiar significativamente la economía de tales sistemas, dicen los investigadores.

Sin embargo, "el dióxido de carbono no es muy reactivo, "Gallant explica, de modo que "tratar de encontrar nuevas vías de reacción es importante". Generalmente, la única forma de lograr que el dióxido de carbono exhiba una actividad significativa en condiciones electroquímicas es con grandes aportes de energía en forma de altos voltajes, que puede ser un proceso caro e ineficaz. Idealmente, el gas sufriría reacciones que producirían algo que valga la pena, como un producto químico útil o un combustible. Sin embargo, esfuerzos en la conversión electroquímica, generalmente realizado en agua, siguen obstaculizados por los elevados aportes de energía y la escasa selectividad de los productos químicos producidos.

Gallant y sus compañeros de trabajo, cuya experiencia tiene que ver con reacciones electroquímicas no acuosas (no basadas en agua) como las que subyacen a las baterías de litio, investigó si la química de captura de dióxido de carbono podría usarse para producir electrolitos cargados con dióxido de carbono, una de las tres partes esenciales de una batería, donde el gas capturado podría usarse durante la descarga de la batería para proporcionar un Salida de potencia.

Este enfoque es diferente de liberar el dióxido de carbono de nuevo a la fase gaseosa para su almacenamiento a largo plazo. como se usa ahora en la captura y secuestro de carbono, o CCS. Ese campo generalmente busca formas de capturar dióxido de carbono de una planta de energía a través de un proceso de absorción química y luego almacenarlo en formaciones subterráneas o alterarlo químicamente en un combustible o una materia prima química.

En lugar de, Este equipo desarrolló un nuevo enfoque que podría potencialmente usarse directamente en el flujo de desechos de la planta de energía para fabricar material para uno de los componentes principales de una batería.

Si bien recientemente ha aumentado el interés en el desarrollo de baterías de litio-dióxido de carbono, que utilizan el gas como reactivo durante la descarga, la baja reactividad del dióxido de carbono ha requerido típicamente el uso de catalizadores metálicos. No solo son caros, pero su función sigue siendo poco conocida, y las reacciones son difíciles de controlar.

Al incorporar el gas en estado líquido, sin embargo, Gallant y sus compañeros de trabajo encontraron una manera de lograr la conversión electroquímica de dióxido de carbono utilizando solo un electrodo de carbono. La clave es preactivar el dióxido de carbono incorporándolo a una solución de amina.

"Lo que hemos demostrado por primera vez es que esta técnica activa el dióxido de carbono para una electroquímica más sencilla, "Dice Gallant." Estas dos sustancias químicas, aminas acuosas y electrolitos de batería no acuosos, normalmente no se usan juntas, pero descubrimos que su combinación imparte comportamientos nuevos e interesantes que pueden aumentar el voltaje de descarga y permitir la conversión sostenida de dióxido de carbono ".

Demostraron a través de una serie de experimentos que este enfoque funciona, y puede producir una batería de litio-dióxido de carbono con voltaje y capacidad que son competitivos con los de las baterías de litio-gas de última generación. Es más, la amina actúa como un promotor molecular que no se consume en la reacción.

La clave fue desarrollar el sistema de electrolitos adecuado, Khurram explica. En este estudio inicial de prueba de concepto, decidieron utilizar un electrolito no acuoso porque limitaría las vías de reacción disponibles y, por lo tanto, facilitaría la caracterización de la reacción y la determinación de su viabilidad. El material de amina que eligieron se utiliza actualmente para aplicaciones de CCS, pero no se había aplicado previamente a las baterías.

Este primer sistema aún no se ha optimizado y requerirá un mayor desarrollo, dicen los investigadores. Por una cosa, el ciclo de vida de la batería está limitado a 10 ciclos de carga-descarga, por lo que se necesita más investigación para mejorar la capacidad de recarga y prevenir la degradación de los componentes de la celda. "Faltan años para las baterías de litio-dióxido de carbono" como producto viable, Gallant dice, ya que esta investigación cubre solo uno de los varios avances necesarios para hacerlos prácticos.

Pero el concepto ofrece un gran potencial, según Gallant. La captura de carbono se considera fundamentalmente esencial para alcanzar los objetivos mundiales de reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. pero aún no se han probado, formas a largo plazo de eliminar o utilizar todo el dióxido de carbono resultante. La eliminación geológica subterránea sigue siendo el principal competidor, pero este enfoque aún no ha sido probado y puede estar limitado en cuanto a su capacidad de adaptación. También requiere energía adicional para perforar y bombear.

Los investigadores también están investigando la posibilidad de desarrollar una versión de operación continua del proceso, que utilizaría una corriente constante de dióxido de carbono a presión con el material de amina, en lugar de un suministro precargado del material, lo que le permite entregar una potencia de salida constante siempre que la batería se suministre con dióxido de carbono. Por último, esperan convertir esto en un sistema integrado que llevará a cabo tanto la captura de dióxido de carbono del flujo de emisiones de una central eléctrica, y su conversión en un material electroquímico que luego podría usarse en baterías. "Es una forma de secuestrarlo como un producto útil, "Dice Gallant.