Neue Studie zum Bau von Batterien aus dünner Luft für kohlenstoffnegative Autos

Die hier dargestellten Kohlenstoffnanoröhren könnten aus Kohlendioxid hergestellt werden, das aus der Atmosphäre gewonnen wird. Wir könnten sie verwenden, um kohlenstoffnegative Batterien herzustellen. Andrzej Wojcicki / Getty Images

Der Kampf gegen die Verlangsamung der globalen Erwärmung konzentrierte sich hauptsächlich darauf, die Menschen von der Verbrennung fossiler Brennstoffe abzubringen, die Kohlendioxid emittieren und zum Treibhauseffekt beitragen. Es wurden auch große Anstrengungen unternommen, um Wege zur Erfassung von CO zu finden₂ aus der Luft und platzieren Sie es an einem Ort, an dem es keinen Schaden anrichten kann. Die perfekte Lösung wäre natürlich, beide Dinge gleichzeitig zu erledigen. Was wäre, wenn Sie CO nehmen könnten?₂ aus der Atmosphäre und Verwenden Sie es als sauberere Energiequelle, um weniger fossile Brennstoffe verbrennen zu müssen?

Wissenschaftler der Universitäten Vanderbilt und George Washington haben möglicherweise einen Weg gefunden, genau das zu tun. In einem heute in der Zeitschrift ACS Central Science der American Chemical Society veröffentlichten Artikel beschreiben sie einen Prozess zur Extraktion von Kohlenstoff aus atmosphärischem CO₂, und verwenden Sie es dann, um Kohlenstoffnanoröhren herzustellen. Die Nanoröhren würden dann verwendet, um die Graphitelektroden in Lithium-Ionen-Batterien für Elektroautos zu ersetzen. 

Theoretisch könnten wir nicht nur klimaneutrale, sondern auch kohlenstoffnegative Elektroautos entwickeln, die Strom speichern und früheren Umweltschäden entgegenwirken.

"Aufgrund ihrer besseren Leistung, der prognostizierten niedrigen Kosten und der Fähigkeit, Treibhausgase zu entfernen, werden Autos mit Kohlenstoff-Nanoröhren-Batterien wahrscheinlich zur Norm", sagt einer der Wissenschaftler, GWU-Chemieprofessor Stuart Licht, per E-Mail.

In einer Pressemitteilung, in der die Entwicklung angekündigt wurde, sagte Cary Pint, Assistenzprofessor für Maschinenbau bei Vanderbilt: "Stellen Sie sich eine Welt vor, in der jede neue Installation von Elektrofahrzeugen oder Batterien im Netzmaßstab es uns nicht nur ermöglichen würde, die Umweltsünden unserer Vergangenheit zu überwinden, sondern auch." einen Schritt in Richtung einer nachhaltigen Zukunft für unsere Kinder. "

Wie würde das funktionieren??

Die neue Methode zur Herstellung von Batterien verwendet ein von Licht und seinen GWU-Kollegen entwickeltes Verfahren zur Abscheidung von Kohlenstoff und zur Herstellung von Kohlenstoffnanofasern, die zu Nanoröhren gebündelt werden können. Bei diesem Prozess wird konzentrierte Sonnenenergie eingesetzt, um ein geschmolzenes Chemikalienbad zu erzeugen, das 749 ° C erreicht. Wenn der Zelle Luft zugesetzt wird, löst sich das Kohlendioxid auf, wenn es der Wärme und dem Gleichstrom von Nickel- und Stahlelektroden ausgesetzt wird.

Das solarthermische elektrochemische Verfahren (STEP) wandelt atmosphärisches Kohlendioxid in Kohlenstoffnanoröhren um, die in fortschrittlichen Batterien verwendet werden können. Julie Turner / Vanderbilt University

Während das Gas zerfällt, haften die Kohlenstoffmoleküle an den Elektroden und bauen sich zu Nanofasern auf. Nachdem Licht und sein Team ihre Arbeit im Jahr 2015 veröffentlicht hatten, versprach sie, ein potenzieller Wegbereiter zu sein. Es bot nicht nur eine Methode zur Herstellung von Kohlenstoffnanofasern, die billiger als frühere Methoden war, sondern auch eine Möglichkeit, große Mengen Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu extrahieren. 

Als diese Entwicklung letztes Jahr angekündigt wurde, sagte Licht, dass er beabsichtige, eine Reihe von riesigen C0 zu bauen₂-To-Nanofaser-Pflanzen von der Größe von Städten an dünn besiedelten Orten wie dem australischen Outback sowie den Wüsten Sahara und Mojave.

Da Kohlenstoff-Nanofaser sowohl superstark als auch leicht ist, wird sie als Material der Zukunft für alles angepriesen, vom Wolkenkratzerträger bis zum Flugzeugrumpf. Aus solchen Fasern hergestellte Kohlenstoffnanoröhren eignen sich jedoch auch hervorragend zur Herstellung von Batterien, da sie aufgrund ihrer großen Oberfläche mehr Ladung speichern können als andere Formen von Kohlenstoff. Bereits 2010 haben Forscher des Massachusetts Institute of Technology eine experimentelle Batterie mit Kohlenstoffnanoröhren entwickelt, die ein Drittel mehr Kapazität als eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie und die zehnfache Ausgangsleistung aufweist.

Die Forscher von GW und Vanderbilt berichten, dass eine Lithium-Ionen-Batterie mit Kohlenstoff-Nanoröhren-Elektroden ebenfalls eine etwas bessere Leistung als eine herkömmliche Lithium-Ionen-Batterie aufweist und dass der Boost verstärkt wird, wenn die Batterie schnell aufgeladen wird.

Als sie die Nanoröhren verwendeten, um Graphitelektroden in einer Natriumionenbatterie, einer anderen Art der Speicherung, zu ersetzen, konnten sie eine noch größere Verbesserung erzielen - etwa das 3,5-fache der Leistung. Beide mit Kohlenstoffnanoröhren ausgestatteten Batterietypen konnten 10 Wochen lang ohne Anzeichen von Ermüdung kontinuierlich geladen und entladen werden.

Praktische Anwendungen für Fortschritte

Laut Licht wird das Einsetzen von Batterien mit Kohlenstoffnanoröhren in Autos "emissionsfreie Alternativen zu den heutigen Prozessen für fossile Brennstoffe in Industrie und Transport bieten".

Gina Coplon-Newfield, Direktorin der Initiative für Elektrofahrzeuge des Sierra Clubs, sagte, dass sie die Einzelheiten des Durchbruchs der Vanderbilt-GWU noch nicht gesehen habe, "es klingt wirklich faszinierend". "Im Allgemeinen sind wir sehr ermutigt von dem, was wir heutzutage in der Batterietechnologie sehen", sagt Coplon-Newfield. "Das ist sowohl im Hinblick auf den technologischen Fortschritt als auch auf die sinkenden Kosten."

Das Verfahren zur Verwendung von atmosphärischem Kohlendioxid zur Herstellung von Batterien müsste nicht nur für Elektroautos angewendet werden. Es könnte auch zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien für elektronische Geräte und auch für viel größere Batterien verwendet werden, mit denen Strom gespeichert werden kann, der von Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen erzeugt wird.

Diese Art der Speicherung ist entscheidend für die Entwicklung zukünftiger "intelligenter" Stromnetze, die auf kleineren, dezentralen Stromquellen beruhen, anstatt von riesigen Kohlekraftwerken abhängig zu sein.

Das ist interessant Die Verwendung von Batterien als Speicher für Energie reicht Hunderte, wenn nicht Tausende von Jahren zurück.