Un nuovo tipo di batteria sviluppato dai ricercatori del MIT potrebbe essere ricavato in parte dall'anidride carbonica catturata dalle centrali elettriche. Piuttosto che tentare di convertire l'anidride carbonica in prodotti chimici specializzati utilizzando catalizzatori metallici, che attualmente è molto impegnativo, questa batteria potrebbe convertire continuamente l'anidride carbonica in un carbonato minerale solido mentre si scarica.

Pur essendo ancora basato su ricerche in fase iniziale e lontano dallo sviluppo commerciale, la nuova formulazione della batteria potrebbe aprire nuove strade per personalizzare le reazioni di conversione dell'anidride carbonica elettrochimica, che alla fine può contribuire a ridurre l'emissione di gas serra nell'atmosfera.

La batteria è realizzata in metallo al litio, carbonio, e un elettrolita progettato dai ricercatori. I risultati sono descritti oggi sulla rivista Joule , in un articolo dell'assistente professore di ingegneria meccanica Betar Gallant, dottoranda Aliza Khurram, e postdoc Mingfu He.

Attualmente, le centrali elettriche dotate di sistemi di cattura del carbonio utilizzano generalmente fino al 30 percento dell'elettricità che generano solo per alimentare la cattura, pubblicazione, e stoccaggio di anidride carbonica. Tutto ciò che può ridurre il costo di quel processo di acquisizione, o che può tradursi in un prodotto finale che ha valore, potrebbe cambiare significativamente l'economia di tali sistemi, dicono i ricercatori.

Però, "l'anidride carbonica è poco reattiva, "Galant spiega, quindi "cercare di trovare nuove vie di reazione è importante". In genere, l'unico modo per far sì che l'anidride carbonica mostri un'attività significativa in condizioni elettrochimiche è con grandi input di energia sotto forma di alte tensioni, che può essere un processo costoso e inefficiente. Idealmente, il gas subirebbe reazioni che producono qualcosa di utile, come una sostanza chimica utile o un carburante. Però, sforzi di conversione elettrochimica, generalmente condotto in acqua, rimangono ostacolati da elevati apporti energetici e scarsa selettività delle sostanze chimiche prodotte.

Gallant e i suoi collaboratori, la cui esperienza ha a che fare con reazioni elettrochimiche non acquose (non a base d'acqua) come quelle alla base delle batterie a base di litio, ha esaminato se la chimica di cattura dell'anidride carbonica potesse essere utilizzata per produrre elettroliti caricati con anidride carbonica, una delle tre parti essenziali di una batteria, dove il gas catturato poteva essere utilizzato durante lo scaricamento della batteria per fornire un uscita di potenza.

Questo approccio è diverso dal rilasciare l'anidride carbonica nella fase gassosa per lo stoccaggio a lungo termine, come viene ora utilizzato nella cattura e sequestro del carbonio, o CCS. Quel campo generalmente esamina i modi per catturare l'anidride carbonica da una centrale elettrica attraverso un processo di assorbimento chimico e quindi immagazzinarla in formazioni sotterranee o alterarla chimicamente in un combustibile o una materia prima chimica.

Anziché, questo team ha sviluppato un nuovo approccio che potrebbe essere potenzialmente utilizzato nel flusso di rifiuti della centrale elettrica per produrre materiale per uno dei componenti principali di una batteria.

Sebbene di recente sia cresciuto l'interesse per lo sviluppo di batterie al litio-anidride carbonica, che utilizzano il gas come reagente durante la scarica, la bassa reattività dell'anidride carbonica ha tipicamente richiesto l'uso di catalizzatori metallici. Non solo questi sono costosi, ma la loro funzione rimane poco conosciuta, e le reazioni sono difficili da controllare.

Incorporando il gas allo stato liquido, però, Gallant e i suoi collaboratori hanno trovato un modo per ottenere la conversione elettrochimica dell'anidride carbonica utilizzando solo un elettrodo di carbonio. La chiave è preattivare l'anidride carbonica incorporandola in una soluzione di ammina.

"Quello che abbiamo mostrato per la prima volta è che questa tecnica attiva l'anidride carbonica per un'elettrochimica più facile, " Dice Gallant. "Queste due sostanze chimiche - ammine acquose ed elettroliti di batterie non acquose - non vengono normalmente utilizzate insieme, ma abbiamo scoperto che la loro combinazione impartisce comportamenti nuovi e interessanti che possono aumentare la tensione di scarica e consentire una conversione prolungata dell'anidride carbonica".

Hanno dimostrato attraverso una serie di esperimenti che questo approccio funziona, e può produrre una batteria litio-anidride carbonica con tensione e capacità competitive con quelle delle batterie litio-gas di ultima generazione. Inoltre, l'ammina agisce come promotore molecolare che non viene consumato nella reazione.

La chiave era sviluppare il giusto sistema di elettroliti, Khurram spiega. In questo primo studio proof-of-concept, hanno deciso di utilizzare un elettrolita non acquoso perché limiterebbe le vie di reazione disponibili e quindi renderebbe più facile caratterizzare la reazione e determinarne la vitalità. Il materiale amminico che hanno scelto è attualmente utilizzato per applicazioni CCS, ma non era stato precedentemente applicato alle batterie.

Questo primo sistema non è stato ancora ottimizzato e richiederà un ulteriore sviluppo, dicono i ricercatori. Per una cosa, la durata del ciclo della batteria è limitata a 10 cicli di carica-scarica, quindi sono necessarie ulteriori ricerche per migliorare la ricaricabilità e prevenire il degrado dei componenti cellulari. "Le batterie al litio-anidride carbonica sono lontane anni" come prodotto praticabile, Galant dice, poiché questa ricerca copre solo uno dei numerosi progressi necessari per renderli pratici.

Ma il concetto offre un grande potenziale, secondo Galant. La cattura del carbonio è ampiamente considerata essenziale per raggiungere gli obiettivi mondiali di riduzione delle emissioni di gas serra, ma non sono ancora provati, modi a lungo termine di smaltire o utilizzare tutta l'anidride carbonica risultante. Lo smaltimento geologico sotterraneo è ancora il principale contendente, ma questo approccio rimane in qualche modo non provato e può essere limitato in quanto può adattarsi. Richiede anche energia extra per la perforazione e il pompaggio.

I ricercatori stanno anche studiando la possibilità di sviluppare una versione a funzionamento continuo del processo, che utilizzerebbe un flusso costante di anidride carbonica sotto pressione con il materiale amminico, piuttosto che una fornitura precaricata del materiale, permettendo così di fornire una potenza costante fintanto che la batteria è alimentata con anidride carbonica. In definitiva, sperano di trasformarlo in un sistema integrato che effettui sia la cattura dell'anidride carbonica dal flusso di emissioni di una centrale elettrica, e la sua conversione in un materiale elettrochimico che potrebbe poi essere utilizzato nelle batterie. "È un modo per relegarlo come un prodotto utile, "Dice Galant.