麻省理工學院正在研發可以消耗二氧化碳的電池

麻省理工學院研究人員正在開發一種新型電池，它的部分原料來源於發電廠中排放出來的二氧化碳。目前比較流行的將二氧化碳利用在電池中的思路是，利用金屬催化劑將二氧化碳轉化為某種專用的化學物質，但這種方法十分困難。這組研究人員繞開了這一思路，他們的想法是，在電池放電時將二氧化碳持續地轉化成固體碳酸鹽。

儘管這項研究尚處於初步階段，距離商業化應用還有這很長的路要走。但這項研究中的電池所採用的反應原理開闢了一條可以減少電池中化學反應所排放出的二氧化碳的新的途徑。最終這將有可能有助於減少溫室氣體的排放。

這項研究中的電池由鋰金屬，碳和電解質製成，研究發表在 9 月 21 日的 Joule 雜誌中，論文中向人們闡述了他們目前的研究進展。

圖 | 可吸收二氧化碳的新型電池論文發表在 Joule 雜誌上（來源：Joule）

現階段，那些自己配備有二氧化碳回收系統的發電廠，通常回收二氧化碳過程需要消耗高達其發電量 30％的電，回收包括將這些氣體吸收，運輸，最終存儲到適合的場所。也就是說，任何可以降低二氧化碳回收過程的成本或者可以使整個回收過程的化學反應最終產品具有價值的方法，都將可能顯著改變目前二氧化碳回收過程的經濟性。

可惜，Gallant 解釋說，「二氧化碳是一種不是很活潑的氣體（不容易發生化學反應），所以嘗試去找到新的化學反應方法會很有意義。」一般來講，能使二氧化碳在電化學條件下更容易發生化學反應的唯一方法，就是以高壓電的形式給整個電化學反應以大量的能量輸入，但這種方法價格高昂且效率低下。理想的情況是，這一消耗二氧化碳的反應最終可以生成某些有價值的反應產品或者是燃料。然而，這些在水中進行的電化學往往會由於高電壓環境和可反應物有限的限制，很難產生出有具有實用價值的反應產品。

Gallant 及其同事們擅長非水基物質參與的電化學反應（例如發生在鋰基電池中的反應）方面的研究，他們研究了二氧化碳參與的化學反應是否可以被用來製造負載有二氧化碳的電解質，而電解質則正是電池的三大基本要素之一，這樣便可以利用在電池放電期間產生的二氧化碳氣體來繼續通過電解質為電池提供新的動力。

這種方法不同於目前的二氧化碳回收封存的裝置 CCS（carbon capture and sequestration）的機理，CCS 中是將二氧化碳以氣體的形式進行回收並長期儲存。該領域的思路一般是，尋找各種方式使發電廠產生的二氧化碳通過化學吸收過程「捕獲」，然後將這些捕獲的人二氧化碳以儲存在地下或將其通過化學轉變變成燃料或化學原料的方式來將其封存。

與之前的思路不同，Gallant 的團隊開發了一種新的思路和方法，將二氧化碳回收過程直接與發電廠的廢物流結合，使這些反應「廢料」直接轉變成為電池的主要組件製造材料之一。

圖 | 該掃描電子顯微鏡圖像顯示了由麻省理工學院研究人員製造的二氧化碳基電池的碳陰極在電池放電後的樣子。圖中顯示了在一個表面上累積的碳化合物，它們由碳酸鹽材料組成，並可以從發電廠排放物中獲得。圖中的插圖為之前沒有碳化合物積累的原始表面。（來源：麻省理工學院）

然而儘管人們最近對於直接將電池放電過程中產生的氣體作為反應物的鋰 - 二氧化碳電池及其研發的關注度與日俱增，但由於二氧化碳天生的不易反應的特性使得整個反應必需要使用金屬催化劑。這一點不僅僅使得成本增加，更由於之前人們對於金屬催化劑的研究並不豐富而對此知之甚少，使得反應更加難以控制。

不過功夫不負有心人，Gallant 和她的同事通過研究找到了一種僅僅使用碳電極就可以實現讓二氧化碳通過電化學反應進行轉化的方法，該方法的關鍵就是通過將氣態二氧化碳加入氨溶液中，來使二氧化碳變得更容易反應。

「我們這項研究第一次展示了如何通過這種技術來使二氧化碳更易於參與化學反應。」Gallant 說。「通常來講，水溶液中的氨和非水的電池電解質這兩種化學物質通常不被放在一起來進行化學反應。但是我們發現，它們兩者的組合帶來了更新的更有趣的效果，那就是可以使電池的放電電壓增加並使得二氧化碳的持續性轉化變成了可能。」

這一次，他們通過一系列實驗證明，這種思路確實可行，並且依照這種思路的鋰 - 二氧化碳電池所能實現的放電電壓與容量即使與目前市面上最先進的鋰電池相比，也具有足夠的競爭力。此外，在整個反應過程中的氨，僅僅充當催化劑而並不會被消耗。

項目研究員 Khurram 進一步解釋道，現在的關鍵是研發出合適的電解質系統。在一開始的概念驗證階段，他們決定使用非水電解質，因為這將更多限制其中可能發生的化學反應，從而更容易讓其中的化學反應的表徵性更明顯，方便判定各種反應的可行性。他們選擇的氨類材料目前也已經被用於 CCS 應用中，但它在此之前還沒有被用在電池中。

研究人員表示，這一早期系統目前還處於早期階段，還需要進行進一步的優化和開發。目前這種電池僅僅可以進行 10 次充放電循環，因此還需要進一步的研發，來改善其可再充電性並防止電池組件的退化。Gallant 說，「鋰 - 二氧化碳電池距離運用化還需要幾年的時間」，除了目前的這項研究外，還有許多在實用化方面的其他問題需要被解決。

不過根據 Gallant 的說法，這一概念有著巨大的應用潛力。人們普遍認為碳回收對於實現減少溫室氣體排放的全球目標具有重要的意義，但到目前為止都還沒有經過證實的可以長期並有效地回收穫減少二氧化碳的方法。目前，除了正在研究的這種方法之外，地下地質處置是最有競爭力的回收方法之一，但這種方法的有效性仍然有待證實，而且可能會有各種限制，此外，它還需要額外的能量來用於鑽孔和泵送。

研究人員還在研究探討這一過程的連續操作版本的可能性，該以連續操作版本將使用有連續穩定的二氧化碳氣流與胺進行反應，而不是像現在的預先將所有反應物放在一起進行反應，整個反應系統便擁有穩定的壓力環境，因此，只要有二氧化碳流入，系統就可以以穩定的效率輸出電量。他們最終的目標是，將其納入一個綜合系統，既可以捕獲發電廠排放的二氧化碳，又可以將這些二氧化碳穩定的轉化為可用於電池的電化學材料。Gallant 解釋說，「這將是將二氧化碳作為有用產品封存的一種方式」。

未參與此項研究的來自韓國首爾國立大學教授 Kisuk Kang 對於這項研究作出了這樣的評價：「該項目十分有趣的是，金屬 - 氣體電池電化學和二氧化碳捕獲化學本來是兩個關係不大的領域，而 Gallant 和她的同事們將這兩個不同領域的已知的知識進行了巧妙地結合，並成功地提高了電池的能量密度和碳的利用效率，且實現了二氧化碳的回收。」

Kang 還評論說，「儘管未來可能需要更準確地了解二氧化碳參與的這些電化學反應產物的構成，但這種跨學科的研究方法是十分有趣的，並且經常會提供讓人意想不到的結果，正如這篇論文的作者在這裡優雅地證明的那樣。」。

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