Un nouveau type de batterie développé par des chercheurs du MIT pourrait être fabriqué en partie à partir de dioxyde de carbone capturé dans les centrales électriques. Plutôt que d'essayer de convertir le dioxyde de carbone en produits chimiques spécialisés à l'aide de catalyseurs métalliques, qui est actuellement très difficile, cette batterie pourrait convertir en continu le dioxyde de carbone en un carbonate minéral solide au fur et à mesure qu'elle se décharge.

Bien que toujours basé sur une recherche à un stade précoce et loin d'un déploiement commercial, la nouvelle formulation de la batterie pourrait ouvrir de nouvelles voies pour adapter les réactions électrochimiques de conversion du dioxyde de carbone, ce qui peut à terme contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

La batterie est en lithium métal, carbone, et un électrolyte que les chercheurs ont conçu. Les résultats sont décrits aujourd'hui dans la revue Joule , dans un article du professeur adjoint de génie mécanique Betar Gallant, doctorante Aliza Khurram, et postdoctoral Mingfu He.

Actuellement, les centrales électriques équipées de systèmes de capture du carbone utilisent généralement jusqu'à 30 pour cent de l'électricité qu'elles produisent juste pour alimenter la capture, Libération, et le stockage du dioxyde de carbone. Tout ce qui peut réduire le coût de ce processus de capture, ou qui peut aboutir à un produit final qui a de la valeur, pourrait changer considérablement l'économie de tels systèmes, disent les chercheurs.

Cependant, "le dioxyde de carbone n'est pas très réactif, " Gallant explique, donc « essayer de trouver de nouvelles voies de réaction est important ». Généralement, le seul moyen de faire en sorte que le dioxyde de carbone présente une activité significative dans des conditions électrochimiques consiste à utiliser de grandes entrées d'énergie sous la forme de hautes tensions, ce qui peut être un processus coûteux et inefficace. Idéalement, le gaz subirait des réactions qui produiraient quelque chose de valable, comme un produit chimique utile ou un carburant. Cependant, efforts de conversion électrochimique, généralement conduit dans l'eau, restent entravés par des apports énergétiques élevés et une faible sélectivité des produits chimiques produits.

Gallant et ses collègues, dont l'expertise porte sur les réactions électrochimiques non aqueuses (non aqueuses) telles que celles qui sous-tendent les batteries au lithium, examiné si la chimie de capture du dioxyde de carbone pouvait être utilisée pour fabriquer des électrolytes chargés de dioxyde de carbone - l'une des trois parties essentielles d'une batterie - où le gaz capturé pourrait ensuite être utilisé pendant la décharge de la batterie pour fournir un puissance de sortie.

Cette approche est différente de la libération du dioxyde de carbone dans la phase gazeuse pour un stockage à long terme, tel qu'il est maintenant utilisé dans la capture et la séquestration du carbone, ou CCS. Ce domaine examine généralement les moyens de capter le dioxyde de carbone d'une centrale électrique par le biais d'un processus d'absorption chimique, puis de le stocker dans des formations souterraines ou de le transformer chimiquement en combustible ou en matière première chimique.

Au lieu, cette équipe a développé une nouvelle approche qui pourrait potentiellement être utilisée directement dans le flux de déchets des centrales électriques pour fabriquer du matériau pour l'un des principaux composants d'une batterie.

Alors que l'intérêt s'est accru récemment pour le développement de batteries lithium-dioxyde de carbone, qui utilisent le gaz comme réactif lors de la décharge, la faible réactivité du dioxyde de carbone a généralement nécessité l'utilisation de catalyseurs métalliques. Non seulement ils sont chers, mais leur fonction reste mal connue, et les réactions sont difficiles à contrôler.

En incorporant le gaz à l'état liquide, cependant, Gallant et ses collègues ont trouvé un moyen d'obtenir une conversion électrochimique du dioxyde de carbone en utilisant uniquement une électrode de carbone. La clé est de préactiver le dioxyde de carbone en l'incorporant dans une solution d'amine.

"Ce que nous avons montré pour la première fois, c'est que cette technique active le dioxyde de carbone pour une électrochimie plus facile, " Gallant dit. " Ces deux produits chimiques - amines aqueuses et électrolytes de batterie non aqueux - ne sont normalement pas utilisés ensemble, mais nous avons constaté que leur combinaison confère des comportements nouveaux et intéressants qui peuvent augmenter la tension de décharge et permettre une conversion soutenue du dioxyde de carbone."

Ils ont montré à travers une série d'expériences que cette approche fonctionne, et peut produire une batterie lithium-dioxyde de carbone avec une tension et une capacité compétitives avec celles des batteries lithium-gaz de pointe. De plus, l'amine agit comme un promoteur moléculaire qui n'est pas consommé dans la réaction.

La clé était de développer le bon système d'électrolyte, Khurram explique. Dans cette première étude de validation de concept, ils ont décidé d'utiliser un électrolyte non aqueux car cela limiterait les voies réactionnelles disponibles et donc faciliterait la caractérisation de la réaction et la détermination de sa viabilité. Le matériau aminé qu'ils ont choisi est actuellement utilisé pour les applications CCS, mais n'avait pas été appliqué auparavant aux batteries.

Ce premier système n'a pas encore été optimisé et nécessitera un développement ultérieur, disent les chercheurs. Pour une chose, la durée de vie de la batterie est limitée à 10 cycles de charge-décharge, des recherches supplémentaires sont donc nécessaires pour améliorer la capacité de recharge et empêcher la dégradation des composants de la cellule. "Les batteries lithium-dioxyde de carbone sont dans des années" en tant que produit viable, Gallant dit, car cette recherche ne couvre qu'une des nombreuses avancées nécessaires pour les rendre pratiques.

Mais le concept offre un grand potentiel, selon Gallant. Le captage du carbone est largement considéré comme essentiel pour atteindre les objectifs mondiaux de réduction des émissions de gaz à effet de serre, mais il n'y a pas encore de preuve, des moyens à long terme d'éliminer ou d'utiliser tout le dioxyde de carbone résultant. Le stockage géologique souterrain reste le principal concurrent, mais cette approche reste quelque peu non prouvée et peut être limitée dans ce qu'elle peut accueillir. Il nécessite également une énergie supplémentaire pour le forage et le pompage.

Les chercheurs étudient également la possibilité de développer une version à fonctionnement continu du procédé, qui utiliserait un flux constant de dioxyde de carbone sous pression avec le matériau aminé, plutôt qu'un approvisionnement préchargé du matériel, lui permettant ainsi de fournir une puissance de sortie constante tant que la batterie est alimentée en dioxyde de carbone. Finalement, ils espèrent en faire un système intégré qui réalisera à la fois la capture du dioxyde de carbone du flux d'émissions d'une centrale électrique, et sa conversion en un matériau électrochimique qui pourrait ensuite être utilisé dans des batteries. "C'est une façon de le séquestrer comme un produit utile, " dit Gallant.