Cientistas testam nova bateria que retira CO2 da atmosfera

A bateria à base de lítio pode usar gás do efeito estufa, o CO2, antes dele chegar na atmosfera.

Um novo tipo de bateria desenvolvida por pesquisadores do MIT (Instituto de Tecnologia de Massachussetts) poderia ser feito em parte pelo dióxido de carbono capturado de usinas de energia (power plants). Em vez de tentar converter o dióxido de carbono em produtos químicos especializados usando catalisadores metálicos, o que atualmente é altamente desafiador, esta bateria pode converter continuamente o dióxido de carbono em um carbonato mineral sólido à medida que vai descarregando.

Embora ainda baseada em pesquisas em estágio inicial e longe da implantação comercial, a nova construção de bateria pode abrir novos caminhos para a adaptação de reações eletroquímicas de conversão de dióxido de carbono, o que pode ajudar a reduzir a emissão do gás de efeito estufa para a atmosfera.

A bateria é feita de metal de lítio, carbono e um eletrólito projetado pelos pesquisadores. As descobertas estão descritas hoje na revista Joule, em um artigo do professor assistente de engenharia mecânica Betar Gallant, estudante de doutorado Aliza Khurram e pós-doutorado Mingfu He.

Um terço da energia é utilizada pelo próprio sistema

Atualmente, usinas de energia equipadas com sistemas de captura de carbono geralmente usam até 30% da eletricidade que geram apenas para alimentar a captura, liberação e armazenamento de dióxido de carbono. Qualquer coisa que possa reduzir o custo desse processo de captura, ou que pode resultar em um produto final que tenha valor, poderia mudar significativamente a economia de tais sistemas, dizem os pesquisadores.

No entanto, “o dióxido de carbono não é muito reativo”, explica Gallant, então “tentar encontrar novos caminhos de reação é importante”. Geralmente, a única maneira de obter dióxido de carbono para exibir atividade significativa sob condições eletroquímicas é com grandes insumos de energia na forma de altas voltagens, o que pode ser um processo caro e ineficiente. Idealmente, o gás sofreria reações que produzem algo que vale a pena, como um produto químico útil ou um combustível. No entanto, os esforços de conversão eletroquímica, geralmente conduzidos em água, permanecem prejudicados por altos insumos energéticos e baixa seletividade dos produtos químicos produzidos.

Gallant e seus colegas de trabalho, cuja especialidade tem a ver com reações eletroquímicas não aquosas (não à base de água), como aquelas que fundamentam as baterias à base de lítio, investigaram se a química de captura de dióxido de carbono poderia ser usada para produzir carbono. eletrólitos carregados de dióxido – uma das três partes essenciais de uma bateria – onde o gás capturado poderia ser usado durante a descarga da bateria para fornecer uma saída de energia.

Esta imagem de microscopico eletrônico de varredura mostra o cátodo de carbono de uma bateria baseada em dióxido de carbono feita por pesquisadores do MIT, após a descarga da bateria. Ele mostra o acúmulo de compostos de carbono na superfície, composto de material carbonático que pode ser derivado das emissões da usina de energia, em comparação com a superfície primitiva original (inset).

Essa abordagem é diferente de liberar o dióxido de carbono de volta à fase gasosa para armazenamento a longo prazo, como agora é usado na captura e sequestro de carbono, ou CCS. Esse campo geralmente estuda formas de capturar o dióxido de carbono de uma usina de energia por meio de um processo de absorção química e, em seguida, armazená-lo em formações subterrâneas ou alterá-lo quimicamente em combustível ou insumo químico.

Em vez disso, essa equipe desenvolveu uma nova abordagem que poderia ser usada diretamente no fluxo de resíduos da usina para produzir material para um dos principais componentes de uma bateria.

Custo ainda alto para produção

Embora o interesse tenha crescido recentemente no desenvolvimento de baterias de lítio-dióxido de carbono, que usam o gás como reagente durante a descarga, a baixa reatividade do dióxido de carbono exigiu o uso de catalisadores metálicos. Não são apenas caros, mas sua função permanece pouco compreendida e as reações são difíceis de controlar.

Ao incorporar o gás em estado líquido, Gallant e seus colegas encontraram uma maneira de obter a conversão eletroquímica de dióxido de carbono usando apenas um eletrodo de carbono. A chave é pré-ativar o dióxido de carbono, incorporando-o em uma solução de amina.

A amina atua como um promotor molecular que não é consumido na reação

“O que mostramos pela primeira vez é que essa técnica ativa o dióxido de carbono para uma eletroquímica mais fácil”, diz Gallant. “Essas duas químicas – aminas aquosas e eletrólitos de bateria não-aquosa – não são normalmente usadas juntas, mas descobrimos que a combinação delas proporciona novos e interessantes comportamentos que podem aumentar a tensão de descarga e permitir a conversão sustentada do dióxido de carbono.”

Eles mostraram através de uma série de experimentos que essa abordagem funciona, e podem produzir uma bateria de dióxido de carbono de lítio com voltagem e capacidade que são competitivas com as baterias de lítio-gás de última geração. Além disso, a amina atua como um promotor molecular que não é consumido na reação.

A chave foi desenvolver o sistema eletrolítico correto, explica Khurram. Nesse estudo inicial de prova de conceito, eles decidiram usar um eletrólito não aquoso porque isso limitaria as vias de reação disponíveis e, portanto, tornaria mais fácil caracterizar a reação e determinar sua viabilidade. O material de amina que eles escolheram é atualmente usado para aplicações de CCS, mas não havia sido aplicado anteriormente a baterias.

Limitação de ciclos e desafio do descarte

Esse sistema inicial ainda não foi otimizado e exigirá mais desenvolvimento, dizem os pesquisadores. Por um lado, o ciclo de vida da bateria é limitado a 10 ciclos de descarga de carga, portanto, mais pesquisas são necessárias para melhorar a capacidade de recarga e evitar a degradação dos componentes da célula. “As baterias de dióxido de carbono de lítio estão a anos de distância” como um produto viável, diz Gallant, já que esta pesquisa cobre apenas um dos vários avanços necessários para torná-los práticos.

Mas o conceito oferece um grande potencial, segundo Gallant. A captura de carbono é amplamente considerada essencial para atingir as metas mundiais de redução de emissões de gases de efeito estufa, mas ainda não existem formas comprovadas e de longo prazo de descartar ou usar todo o dióxido de carbono resultante. O descarte geológico subterrâneo ainda é a principal opção, mas essa abordagem permanece pouco comprovada e pode ser limitada em quanto essa opção pode acomodar. Também requer energia extra para perfuração e bombeamento.

Os pesquisadores também estão investigando a possibilidade de desenvolver uma versão de operação contínua do processo, que usaria um fluxo constante de dióxido de carbono sob pressão com o material aminado, em vez de um suprimento pré-carregado do material, permitindo assim que ele fornecesse um poder constante. saída, desde que a bateria seja fornecida com dióxido de carbono. Em última análise, eles esperam transformar isso em um sistema integrado que realizará tanto a captura de dióxido de carbono do fluxo de emissões de uma usina quanto sua conversão em um material eletroquímico que poderia ser usado em baterias. “É uma maneira de sequestrar isso como um produto útil”, diz Gallant.

“Foi interessante que Gallant e colaboradores combinaram habilmente o conhecimento prévio de duas áreas diferentes, eletroquímica de baterias de gás de metal e química de captura de dióxido de carbono, e conseguiram aumentar tanto a densidade de energia da bateria quanto a eficiência da captura de dióxido de carbono ”, diz Kisuk Kang, professor da Universidade Nacional de Seul, na Coréia do Sul, que não esteve associado a essa pesquisa.

“Mesmo que uma compreensão mais precisa da formação do produto a partir do dióxido de carbono possa ser necessária no futuro, esse tipo de abordagem interdisciplinar é muito estimulante e freqüentemente oferece resultados inesperados, como os autores elegantemente demonstraram aqui”, acrescenta Kang.

O Departamento de Engenharia Mecânica do MIT forneceu apoio ao projeto.

Com informações do MIT