Neuartiger Lithium-CO₂-Akku nutzt Industrieabgase

Anpassung der Entladereaktion in Li-CO₂-Batterien durch Einbeziehung der CO₂-Abscheidung

Eine von MIT-Forschern entwickelte (in Joule und SciTechDaily veröffentlichte) neuartige Batterie kann zum Teil mit aus Kraftwerke oder anderen Industrieprozessen abgeschiedenem Kohlendioxid hergestellt werden. Anstatt zu versuchen, Kohlendioxid mit Hilfe von Metallkatalysatoren in Spezialchemikalien umzuwandeln, was derzeit eine große Herausforderung darstellt, könnte diese Batterie CO₂ beim Entladen kontinuierlich in ein festes mineralisches Carbonat umwandeln.

Obwohl die neue Batterieform erst noch in einer frühen Forschungsphase und weit davon entfernt ist, kommerziell eingesetzt zu werden, könnte sie neue Wege eröffnen, um elektrochemische CO₂-Umwandlungsreaktionen zu optimieren, und damit zur Treibhausgas-Reduzierung beitragen. Die Batterie besteht aus Lithium, Kohlenstoff und einem von den Forschern Betar Gallant, Aliza Khurram und Mingfu eentwickelten Elektrolyten. Die Ergebnisse beschreiben ie  in einem Beitrag in der Zeitschrift Joule.

Derzeit verbrauchen Kraftwerke mit CO₂-Abscheidungssystemen in der Regel bis zu 30 Prozent des von ihnen erzeugten Stroms nur für die Abscheidung, Freisetzung und Speicherung von Kohlendioxid. Alles, was die Kosten für diesen Erfassungsprozess senken oder zu einem wertvollen Endprodukt führen kann, könnte die Wirtschaftlichkeit solcher Systeme erheblich verändern, so die Forscher.

Allerdings ist „Kohlendioxid nicht sehr reaktionsfreudig“, erklärt die Assistenzprofessorin Gallant, daher sei es wichtig, „neue Reaktionswege zu finden“. Im Allgemeinen seien große Energieeinträge in Form von hohen Spannungen (die ein teurer und ineffizienter Prozess sein können) der einzige Weg, dass CO₂ unter elektrochemischen Bedingungen eine signifikante Aktivität zeigt. Im Idealfall durchläuft das Gas Reaktionen, die etwas Sinnvolles hervorbringen, wie zum Beispiel nützliche Chemikalien oder Kraftstoffe. Die Bemühungen um eine elektrochemische Umwandlung, üblicherweise im Wasser, werden jedoch durch den hohen Energieeinsatz und die mangelhafte Trennschärfe der produzierten Chemikalien behindert.

Gallant und ihre Mitarbeiter, die sich mit nichtwässrigen (nicht wasserbasierten) elektrochemischen Reaktionen wie denen von Lithium-Batterien befassen, untersuchten, ob die Chemie der CO₂-Abscheidung genutzt werden kann, um CO₂-haltige Elektrolyte – einen der drei wesentlichen Bestandteile einer Batterie – herzustellen, bei denen das abgefangene Gas dann während der Entladung der Batterie für eine Leistungsabgabe verwendet werden kann.

Dieser Ansatz unterscheidet sich von der Rückführung des Kohlendioxids in die Gasphase zur Langzeitspeicherung, wie sie heute bei der CO₂-Abscheidung und -Speicherung, kurz CCS, eingesetzt wird. Dieses Forschungsfeld untersucht im Allgemeinen Möglichkeiten, CO₂ aus einem Kraftwerk durch einen chemischen Absorptionsprozess abzutrennen und dann entweder in unterirdischen Formationen zu speichern oder es chemisch in einen Brennstoff oder einen chemischen Rohstoff umzuwandeln. Stattdessen entwickelte dieses Team einen neuen Ansatz, der potenziell direkt im Kraftwerksabfallstrom eingesetzt werden könnte, um Material für eine der Hauptkomponenten einer Batterie herzustellen. …

[note Zusammenfassung des Joule-Artikels
„Die Suche nach lebensfähigen Endverwendungen von CO₂ hat zu umfangreichen Forschungen über die CO₂-Nutzung in Energiespeichern wie alkalimetallbasierten O₂/CO₂– und -CO₂-Batterien geführt. Die Bemühungen wurden jedoch durch die geringe elektrochemische Aktivität von CO₂ in den meisten organischen Medien behindert. In dieser Arbeit berichten wir über einen vermittelten CO₂-Abscheidungs- und Umwandlungsprozess, der auf Amin (z.B. 2-Ethoxyethylamin) Chemisorption basiert und ein neues Elektrolytsystem zur Erleichterung der Entladereaktion in Li-CO₂-Batterien bereitstellt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die elektrochemische Reduktion von CO₂-beladenen Aminen mit deutlich höheren Entladepotenzialen (~2.9 V versus Li/Li+) erfolgt, verglichen mit physikalisch gelöstem CO₂, das in Abwesenheit des Amins inaktiv ist. Die Entladereaktion bildet die Festphase Li₂CO₃ als primäres Entladungsprodukt und liefert hohe Entladekapazitäten (>1.000 mAh/g_c), wobei die Kopplung der CO₂-Abscheidungschemie an nichtwässrige Batterien als vielversprechender Ansatz für die Auslegung und Manipulation von CO₂-Konversionsreaktionen hervorgehoben wird.“]