Nueva batería que devora dióxido de carbono

Un nuevo tipo de batería desarrollada por investigadores del MIT podría estar hecha en parte a partir del dióxido de carbono capturado en las plantas de energía.

En lugar de tratar de convertir el dióxido de carbono a productos químicos especializados que utilizan catalizadores metálicos, lo que actualmente es un gran desafío, esta batería podría convertir continuamente el dióxido de carbono en un carbonato mineral sólido a medida que se descarga.

Aunque todavía se basa en investigación inicial y lejos de la implementación comercial, la nueva formulación de la batería podría abrir nuevas vías para adaptar las reacciones de conversión de dióxido de carbono electroquímico, que en última instancia pueden ayudar a reducir la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera.

La batería está hecha de litio metálico, carbono y un electrolito diseñado por los investigadores.

Los hallazgos se describen en la revista Joule, en un documento del profesor asistente de ingeniería mecánica Betar Gallant, la estudiante de doctorado Aliza Khurram y postdoctorado Mingfu He.

Actualmente, las plantas de energía equipadas con sistemas de captura de carbono generalmente utilizan hasta el 30 por ciento de la electricidad que generan solo para potenciar la captura, liberación y almacenamiento de dióxido de carbono.

Cualquier cosa que pueda reducir el costo de ese proceso de captura, o que pueda resultar en un producto final que tenga valor, podría cambiar significativamente la economía de dichos sistemas, dicen los investigadores.

Sin embargo, “el dióxido de carbono no es muy reactivo”, explica Gallant, por lo que “tratar de encontrar nuevas vías de reacción es importante”.

En general, la única forma de lograr que el dióxido de carbono muestre una actividad significativa en condiciones electroquímicas es con grandes entradas de energía en forma de altos voltajes, lo que puede ser un proceso costoso e ineficiente.

Idealmente, el gas sufriría reacciones que producen algo que vale la pena, como un químico o un combustible útil.

Sin embargo, los esfuerzos de conversión electroquímica, generalmente realizados en agua, siguen siendo obstaculizados por los altos insumos 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 basadas en litio, analizaron si la química de captura de dióxido de carbono podría usarse para producir carbono, electrolitos cargados con dióxido, una de las tres partes esenciales de una batería, donde el gas capturado podría usarse luego durante la descarga de la batería para proporcionar una salida de potencia.

Este enfoque es diferente de liberar el dióxido de carbono a la fase gaseosa para el almacenamiento a largo plazo, como ahora se usa en la captura y secuestro de carbono, o CCS.

Ese campo generalmente busca formas de capturar el 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 materia prima química.

En cambio, este equipo desarrolló un nuevo enfoque que podría usarse potencialmente en la corriente de desechos de la planta de energía para hacer material para uno de los componentes principales de una batería.

Si bien el interés ha crecido recientemente en el desarrollo de baterías de dióxido de carbono y litio, 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, sino que su función sigue siendo poco conocida, y las reacciones son difíciles de controlar.

Sin embargo, al incorporar el gas en estado líquido, Gallant y sus colaboradores encontraron la 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.
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“Lo que hemos demostrado por primera vez es que esta técnica activa el dióxido de carbono para una electroquímica más fácil”, 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 del dióxido de carbono”.

A través de una serie de experimentos, demostraron que este enfoque funciona y pueden producir una batería de dióxido de carbono y litio con voltaje y capacidad que sea competitiva con la de las baterías de litio de última generación.

Además, la amina actúa como un promotor molecular que no se consume en la reacción.

La clave fue desarrollar el sistema electrolítico correcto, explica Khurram.

En este estudio inicial de prueba de concepto, decidieron usar un electrolito no acuoso porque limitaría las vías de reacción disponibles y, por lo tanto, haría más fácil caracterizar la reacción y determinar su viabilidad.

El material de amina que eligieron se usa actualmente para aplicaciones de CCS, pero no se había aplicado anteriormente a las baterías.

Este sistema temprano aún no se ha optimizado y requerirá un mayor desarrollo, dicen los investigadores.

Por un lado, el ciclo de vida de la batería está limitado a 10 ciclos de carga y descarga, por lo que se necesita más investigación para mejorar la recargabilidad y evitar la degradación de los componentes de la celda.

“Las baterías de dióxido de carbono y litio están a años de distancia” como un producto viable, dice Gallant, 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 es ampliamente considerada esencial para cumplir los objetivos mundiales de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, pero aún no existen formas comprobadas a largo plazo de eliminar o utilizar todo el dióxido de carbono resultante.

La disposición geológica subterránea sigue siendo el principal candidato, pero este enfoque no se ha demostrado y puede estar limitado en cuanto a cuánto puede acomodarse.

También requiere energía extra para la perforación y el bombeo.

Los investigadores también están investigando la posibilidad de desarrollar una versión de operación continua del proceso, que usaría una corriente constante de dióxido de carbono bajo presión con el material de amina, en lugar de un suministro precargado del material, lo que le permitiría entregar una potencia constante. salida siempre que la batería se suministre con dióxido de carbono.

En última instancia, esperan convertir esto en un sistema integrado que llevará a cabo tanto la captura de dióxido de carbono de la corriente de emisiones de una central eléctrica, como su conversión en un material electroquímico que luego podría usarse en baterías.

“Es una forma de secuestrarlo como un producto útil”, dice Gallant.

Fuente: Phys.org