Исследователи переосмысливают подходы к обеспечению энергией будущего, поскольку космические организации пытаются отправить людей на Марс и Землю и ищут углеродно-нейтральные альтернативы энергии . Недавний научный прорыв может решить обе эти проблемы. Разрабатываются более совершенные и долговечные литий-углеродно-диоксидные (Li-CO₂) батареи, преобразующие CO₂ в энергию. Новый катализатор, разработанный командой из Университета Суррея, значительно улучшает характеристики батарей, повышая их пригодность для применения на Марсе и Земле.

Почему важны литий-углеродные батареи

Литий и диоксид углерода подвергаются обратимому электрохимическому процессу , питающему литий-углекислотные батареи. Электрическая энергия вырабатывается во время разряда, когда литий с анода проходит через электролит и соединяется с CO₂ на катоде, образуя углерод и карбонат лития, высвобождая электроны. Этот процесс обращается при перезарядке батареи, регенерируя CO₂ и литий.

Эта система преобразует углекислый газ, вредный парниковый газ , в пригодный для использования источник энергии, позволяя литий-углекислотным батареям накапливать энергию и удалять углерод. На Земле это означает более чистое производство энергии. На Марсе, где углекислый газ составляет около 95.32% атмосферы , литий-углекислотные батареи для Марса предоставляют возможность использовать атмосферу планеты в качестве топлива для работы жизненно важных систем и устройств.

Проблемы литий-углеродных батарей для Марса

Хотя использование CO₂ в качестве реагента батареи является многообещающим, ранние батареи Li–CO₂ были ограничены плохой стабильностью и низкой энергоэффективностью. Одной из основных проблем было образование карбоната лития на катоде, который создавал изолирующие слои, препятствующие перезарядке. Эти реакции постепенно ухудшали батарею, сокращая ее срок службы и емкость хранения.

Батареи также требовали высоких перенапряжений для перезарядки, что означало, что для обращения реакции требовалось больше энергии, чем было идеально. Эта неэффективность делала их непригодными для длительного использования, особенно в экстремальных марсианских условиях, где радиация постоянна, а температура колеблется до 60°C между днем ​​и ночью.

Читайте также: Инновации в области аккумуляторных батарей для электромобилей определяют будущее электромобилей.

Прорывные инновации из нового исследования

Команда из Университета Суррея представила катализатор на основе фосфомолибдата цезия (CPM) , полиоксометаллата типа Кеггина , для преодоления этих проблем. Этот катализатор решает две критически важные проблемы батарей: перенапряжение и стабильность циклической работы.

Технология CPM снизила перенапряжение при зарядке с приблизительно 1.4 вольт до всего лишь 0.67 вольт , что значительно повысило энергоэффективность. Ее пористая структура обеспечила стабильную платформу для образования и распада карбоната лития, позволяя батарее поддерживать стабильную работу более 100 циклов.

При плотности тока 50 мА·г⁻¹ лабораторные испытания показали кулоновскую эффективность 97.3% , что указывает на минимальные потери энергии во время работы. Батарея также достигла 2.5-кратного увеличения плотности энергии по сравнению с обычными литий-ионными батареями . Поскольку CPM может быть изготовлен при комнатной температуре с использованием недорогих материалов, он предлагает жизнеспособную альтернативу дорогим благородным металлам, таким как платина и рутений, что делает его более подходящим для коммерческого и космического применения.

Двойная выгода: Земля и Марс

Литий-углеродно-диоксидные батареи на Марсе обеспечивают устойчивое энергетическое решение, используя саму атмосферу в качестве источника энергии. Это может устранить необходимость в транспортировке тяжелого топлива с Земли, что является существенным преимуществом для долгосрочных космических миссий и усилий по колонизации.

Эти батареи выполняют двойную функцию на Земле: выработку электроэнергии и улавливание CO₂ . Исследовательская группа сообщила, что один килограмм CPM способен поглотить приблизительно 18.5 килограммов углекислого газа . Эта способность делает их хорошо подходящими для мобильных или стационарных применений, позволяя сократить выбросы, обеспечивая экологически чистую энергию и очистку воздуха в одной системе.

Читайте также: Кремниево-углеродные батареи: скрытая технология, позволяющая создавать более изящные телефоны с более емкими батареями.

Дорога впереди

Несмотря на успех усовершенствованной конструкции CPM, необходимы дальнейшие работы, прежде чем литий-углеродно-диоксидные батареи для Марса и Земли получат широкое распространение. В то время как коммерческие литий-ионные батареи часто служат более 1,000 циклов , существующие прототипы этой новой конструкции выдерживают чуть более 100 циклов.

Текущие усилия включают дальнейшее улучшение катализатора, тестирование в различных условиях CO₂ и изучение альтернатив, не основанных на цезии. Исследователи стремятся упростить химию батареи и больше полагаться на распространенные, устойчивые материалы, делая технологию еще более масштабируемой и экологичной.

Заключение

Это достижение в технологии аккумуляторов может изменить то, как мы храним и производим энергию, не только на Земле, но и на других планетах. Повышая плотность энергии, снижая перенапряжение и увеличивая срок службы аккумуляторов, команда Университета Суррея заложила основу для масштабируемых инноваций, которые помогают бороться с изменением климата. Литий-углеродные аккумуляторы для Марса предлагают больше, чем просто функциональность; они представляют собой видение более чистого, более эффективного энергетического будущего в двух мирах.

Читайте также: Создание этичных цепочек поставок аккумуляторов: решение трудовых и экологических проблем