Ny studie hur man bygger batterier ur tunn luft för kolnegativa bilar

Kolnanorör, illustrerade här, kunde tillverkas av koldioxid som skördats från atmosfären; vi skulle kunna använda dem för att skapa kol-negativa batterier. Andrzej Wojcicki / Getty Images

Kampen för att bromsa den globala uppvärmningen har främst fokuserat på att avvänja människor bort från att bränna fossila bränslen som avger koldioxid och bidrar till växthuseffekten. Det har också gjorts mycket att hitta sätt att fånga CO₂ ur luften och lägg den någonstans där den inte kan göra någon skada. Naturligtvis skulle den perfekta lösningen vara att åstadkomma båda sakerna på en gång. Tänk om du kunde ta CO₂ ur atmosfären och utnyttja den till en renare energikälla, vilket minskar behovet av att bränna fossilt bränsle?

Forskare från Vanderbilt och George Washington universitet kan ha hittat ett sätt att göra just det. I ett papper som publicerades idag i American Chemical Society-tidskriften ACS Central Science beskriver de en process för att utvinna kol från atmosfärisk CO₂, och använd den sedan för att skapa kolananorör. Nanorören skulle sedan användas för att ersätta grafitelektroderna i litiumjonbatterier för elektriska bilar. 

I teorin skulle vi kunna skapa inte bara koldioxidneutrala, utan kolnegativa elbilar som lagrar kraft och motverkar tidigare miljöskador.

"Med tanke på deras bättre prestanda, beräknade låga kostnader och förmågan att ta bort en växthusgas är det troligt att koldioxidbatteri-utrustade bilar kommer att bli normen," säger en av forskarna, GWU kemi professor Stuart Licht, via e-post.

I ett pressmeddelande som tillkännager utvecklingen, sa Vanderbilt biträdande professor i maskinteknik Cary Pint, "Föreställ dig en värld där varje nytt elfordon eller nätinstallation av batteri inte bara skulle göra det möjligt för oss att övervinna miljösynderna från vårt förflutna, säger utan också ge ett steg mot en hållbar framtid för våra barn. "

Hur skulle detta fungera?

Den nya batteriframställningsmetoden använder en process som har utvecklats av Licht och hans GWU-kollegor för att fånga kol och använda den för att skapa nanofibrer, som kan buntas för att skapa nanorör. Den processen innebär att man distribuerar koncentrerad solenergi för att skapa ett smält bad med kemikalier som når 1 380 grader F (749 grader C). När luft tillsätts till cellen upplöses koldioxiden när den utsätts för värme och likström från nickel- och stålelektroder..

Solar Thermal Electrochemical Process (STEP) omvandlar atmosfärisk koldioxid till koldioxidrör som kan användas i avancerade batterier. Julie Turner / Vanderbilt University

När gasen går sönder fastnar kolmolekylerna vid elektroderna och byggs upp till nanofibrer. Efter att Licht och hans team publicerade sitt arbete 2015 lovade det att bli en potentiell spelväxlare. Inte bara gav det en metod för att skapa koldioxid som var billigare än tidigare metoder, utan den gav också ett sätt att utvinna enorma mängder koldioxid från atmosfären. 

När denna utveckling tillkännagavs förra året berättade Licht att han föreställde sig att bygga en mängd jätte C0₂-till-nanofiber planterar storleken på städer i glest befolkade platser som den australiska utmarken och Sahara- och Mojave-öknarna.

Eftersom det är superstarka såväl som lättvikter har kolnanofiber utpekats som framtidens material för allt från skyskrapagardrar till flygplanskroppar. Men kolananorör som skapas av sådana fibrer är också ganska bra för att tillverka batterier, eftersom deras stora ytarea gör att de kan lagra mer laddning än andra former av kol. Redan 2010 skapade Massachusetts Institute of Technology forskare ett experimentbatteri med kolananorör som hade en tredjedel mer kapacitet än ett konventionellt litiumjonbatteri och tio gånger kraftuttaget.

GW- och Vanderbilt-forskarna rapporterar att ett litiumjonbatteri med kol nanorörselektroder också klarar lite bättre än ett konventionellt litiumjonbatteri och att förstärkningen förstärks när batteriet laddas snabbt.

När de använde nanorören för att ersätta grafitelektroder i ett natriumjonbatteri, en annan typ av lagring, fick de en ännu större förbättring - ungefär 3,5 gånger prestandan. Båda typerna av batterier utrustade med kolananorör lyckades framgångsrikt 10 veckors kontinuerlig laddning och urladdning utan tecken på trötthet.

Praktiska applikationer för framsteg

Enligt Licht kommer att sätta batterier med kolananorör i bilar "att ge utsläppsfria växthusgasalternativ till dagens industriella och transportbaserade fossila bränsleprocesser."

Gina Coplon-Newfield, chef för Sierra Club's Electric Vehicles Initiative, sa att även om hon ännu inte har sett detaljerna i Vanderbilt-GWU genombrott, "låter det verkligen spännande." "Generellt sett uppmuntras vi mycket av det vi ser hända inom batteriteknologi i dag", säger Coplon-Newfield. "Det är både när det gäller tekniska framsteg och kostnader som kommer ner."

Processen för att använda atmosfärisk koldioxid för att skapa batterier behöver inte bara användas för elbilar. Det kan också användas för att skapa litiumjonbatterier för elektroniska apparater, och även i mycket större batterier som kan användas för att lagra el som genereras av solpaneler och vindkraftverk.

Att ha den här typen av lagring är avgörande för att utveckla framtida "smarta" elektriska nät som förlitar sig på mindre, decentraliserade elkällor istället för att vara beroende av enorma kolförbränningsanläggningar..

Nu är det intressant Användningen av batterier som lagringsenheter för energi går hundratals, om inte tusentals, år tillbaka.