美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员正在开发电池技术，以通过两种方式应对气候变化：扩大可再生能源的使用和捕获空气中的二氧化碳。
这种类型的电池存储太阳能电池板或风力涡轮机产生的可再生能源。在没有风和阳光的情况下利用这种能源需要发生电化学反应，橡树岭国家实验室的新型电池配方可以捕获工业排放中的二氧化碳，并将其转化为增值产品。
橡树岭国家实验室的研究人员最近创建并测试了两种不同的电池配方，可将二氧化碳气体(CO2)转化为可用于其他产品的固体形式。
其中一种新型电池可维持600小时的使用时间，并可存储长达10小时的电力。研究人员还发现、研究并克服了主要挑战，即化学积聚引起的失活，这一直是其他电池配方的障碍。
“橡树岭国家实验室的能源科学与技术转型计划(TEST)正是解决气候变化所需的努力。我们很高兴橡树岭国家实验室正在投资创新理念和方法，这些理念和方法可以改变我们对锂以外的能源储存方式的思考离子电池和其他传统的电化学储能系统，”橡树岭国家实验室企业研究员兼倡议主任伊利亚斯·贝尔哈鲁亚克(IliasBelharouak)说。
“多么奇妙的场景：使用自由电子来储存CO2并将其转化为创收产品是我10年前从未想象过的概念，但这只是一个开始，”Belharouak继续道。
电池通过电化学反应进行工作，电化学反应使离子通过电解质在两个电极之间移动。与手机或汽车电池不同，那些专为电网储能而设计的电池不必充当便携式封闭系统。这使得橡树岭国家实验室的研究人员能够制造并测试两种类型的电池，它们可以将固定工业来源的CO2转化。
例如，发电厂产生的CO2可以通过管道泵入液体电解质中，产生类似于碳酸软饮料中的气泡。在电池工作期间，气泡变成固体粉末。
怎么运行的
电池的每个组件都可以由不同的元素或化合物制成。这些选择决定了电池的使用寿命、可以存储多少能量、大小或重量以及充电或消耗能量的速度。在ORNL的新电池配方中，其中一种使用廉价的铁镍催化剂将CO2与盐水中的钠结合。第二个将气体与铝结合。
每种方法都使用丰富的材料和盐水形式的液体电解质，有时还与其他化学品混合。首席研究员鲁胡尔·阿明表示，这种电池比现有技术更安全，因为它们的电极在水中稳定。
对CO2电池的研究非常少。之前尝试过的方法依赖于可逆的金属-CO2反应来再生二氧化碳，从而继续向大气中排放温室气体。此外，固体放电产物往往会堵塞电极表面，从而降低电池性能。
然而，ORNL开发的CO2电池不会释放二氧化碳。相反，碳酸盐副产品会溶解在液体电解质中。副产品要么不断丰富液体以增强电池性能，要么可以从容器底部过滤而不会中断电池运行。电池设计甚至可以进行调整，以产生更多此类副产品，供制药或水泥行业使用。唯一释放的气体是氧气和氢气，它们不会导致气候变化，甚至可以被捕获以生产能源或燃料。
ORNL研究人员为这些CO2电池使用了几乎全新的材料组合。之前的一些类似设计仅在短期内有效，或者采用了昂贵的金属。
克服的优点、缺点和挑战
开发出钠二氧化碳(Na-CO2)电池，但遇到了一些障碍。为了使该系统发挥作用，电极必须分开放置在湿室和干室中，并在电极之间放置固体离子导体。该屏障减慢了离子的运动，进而减慢了电池的运行速度，降低了电池效率。
这种Na-CO2电池面临的一个重大挑战是，长时间使用后，电极表面会形成一层薄膜，最终导致电池失效。阿明的研究团队使用高度专业的显微镜和X射线技术来检查电池失效时和不同运行阶段的情况。
研究薄膜的形成方式有助于研究人员了解如何再次分解它。他们很感兴趣地意识到，只需通过充电/放电周期的操作变化，就可以重新激活电池，或者根本防止电池停用。不均匀的充电和放电脉冲可防止电极上形成薄膜。
阿明说：“我们首次报告说，失活的细胞可以重新激活。”“我们找到了失活和激活的根源。如果电池对称充放电时间过长，它就会在某一阶段失效。如果你使用我们为电池制定的协议，失败的可能性非常小。”
第二种长期存储设计
接下来，研究人员重点关注铝二氧化碳(Al-CO2)电池的设计。该团队尝试了各种电解质溶液和三种不同的合成工艺，以确定最佳组合。其结果是电池能够提供足够的存储空间，可供以后使用10多个小时的电力。
“这对于长期存储来说是巨大的，”阿明说。“这是第一个Al-CO2可以长时间稳定运行的
Amin表示，测试发现ORNL电池可以运行600多个小时而不损失容量，远远超过之前报道的唯一Al-CO2电池，后者仅测试了8小时的循环时间。
最重要的是，该电池捕获的二氧化碳几乎是Na-CO2的两倍。它可以设计为在单个室中运行的系统，两个电极都在相同的液体溶液中，因此离子运动没有障碍。
Amin表示，Al-CO2电池面临的挑战是使其更接近规模化。即便如此，该团队仍将继续系统地研究其特性，以延长使用寿命并更有效地捕获CO2。为了使Na-CO2电池具有竞争力，该团队将重点开发一种非常精细、致密、机械稳定的陶瓷膜来分隔电池室。
为该项目做出贡献的其他ORNL科学家包括MarmDixit、MengyaLi、SabineNeumayer、YaocaiBai、IliasBelharouak、AnujBisht、YangOptical和前ORNL研究员RachidEssehli。
更多信息：RuhulAmin等人，水性Na-CO2电池失活的起