Ученые из Пекинского университета, Нанкайского университета, Харбинского технологического института и Городского университета Гонконга представили концепцию аккумуляторов нового поколения. Речь идет о перезаряжаемых магниево-углекислотных батареях, которые не только хранят энергию, но и напрямую используют CO2 в качестве активного компонента.
Суть разработки заключается в замене литиевой химии на систему, где работают магний и углекислый газ. При разрядке магний на аноде окисляется, отдавая электроны во внешнюю цепь. На катоде углекислый газ принимает эти электроны и, соединяясь с ионами магния, образует карбонаты или оксалаты магния. Таким образом, выработка электроэнергии сопровождается химическим связыванием углерода в стабильной форме. При зарядке процесс должен идти в обратную сторону. Твердые продукты разлагаются, высвобождая CO2, а магний вновь осаждается в металлическом виде.
Выбор магния не был случайным. Этот металл более распространен в земной коре, чем литий, что открывает перспективы масштабного и относительно недорогого производства. Кроме того, магний отдает два электрона на атом, обеспечивая высокую теоретическую емкость. Еще одним важным преимуществом является более равномерное осаждение металла при зарядке. В отличие от лития, магний менее склонен к образованию игольчатых структур, которые могут привести к короткому замыканию и пожару. Это повышает потенциальную безопасность таких систем.
Однако на пути к практической реализации возникли серьезные научные сложности. Ионы магния имеют двойной заряд с высокой плотностью, из-за чего сильно взаимодействуют с окружающими молекулами электролита и продуктами реакции. В результате формируются очень стабильные карбонаты магния. Они термодинамически выгодны, но при этом плохо разлагаются при зарядке. Это приводит к высоким энергетическим потерям и быстрой деградации аккумулятора.
Чтобы преодолеть это ограничение, ученые сделали ставку на управление механизмом реакции. Выяснилось, что принципиально важно не только ускорить процессы на катоде, но и изменить сам путь превращения CO2. Вместо образования труднообратимых карбонатов ученые направили реакцию в сторону формирования соединений, где два атома углерода связываются друг с другом. Такие продукты легче разлагаются при зарядке, что повышает обратимость и увеличивает ресурс батареи.
Следует отметить, что ученые не ограничились улучшением какого-то отдельного элемента батареи. Катод был целенаправленно модифицирован. В его структуре создали дефекты и настроили электронные свойства так, чтобы поверхность активнее взаимодействовала с CO2 и стабилизировала нужные промежуточные соединения. Параллельно они изменили состав среды, в которой перемещаются ионы магния. Это позволило по-новому организовать их координацию и повлиять на то, какие именно продукты будут формироваться при разряде. В итоге управление реакцией стало предсказуемым. Именно это открыло путь к более обратимой и устойчивой работе батареи.
Наиболее реалистичной областью применения таких батарей является стационарная энергетика. В системах накопления энергии для солнечных и ветровых электростанций требования к скорости зарядки ниже, чем на транспорте, зато важны безопасность, долговечность и стоимость материалов. Магниево-углекислотные аккумуляторы могут работать в связке с источниками концентрированного CO2, включая промышленные выбросы или установки улавливания углекислого газа. В периоды избытка электроэнергии CO2 будет электрохимически переводиться в твердые соединения с одновременным накоплением энергии, чтобы при необходимости высвобождаться обратно.
