Loại pin mới được chế tạo từ CO2

Một nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã chế tạo được loại pin mới từ các thành phần trong đó có khí CO2 thu được từ các nhà máy điện. Thay vì cố gắng chuyển đổi khí CO2 thành hóa chất chuyên dụng bằng cách sử dụng các chất xúc tác kim loại khan hiếm, pin mới có thể liên tục biến đổi khí CO2 thành khoáng cacbonat rắn khi nó thải ra. Công thức pin CO2 dù vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu ban đầu và còn xa mới được thương mại hóa, nhưng cuối cùng sẽ giúp giảm phát thải khí nhà kính vào khí quyển. Pin được làm từ kim loại lithium, cacbon và chất điện phân do các nhà nghiên cứu thiết kế. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Joule.

Hiện nay, các nhà máy điện được trang bị hệ thống thu giữ cacbon thường sử dụng đến 30% điện năng phục vụ sản xuất để cung cấp năng lượng cho hoạt động thu giữ, giải phóng và lưu trữ CO2. Phương thức để giảm chi phí của quá trình thu cacbon hoặc cho ra đời một sản phẩm cuối cùng có giá trị có thể làm thay đổi lớn khía cạnh kinh tế của các hệ thống này.

Tuy nhiên, "CO2 không phải có phản ứng rất mạnh", Betar Gallant, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí giải thích, do đó, "việc tìm ra những con đường phản ứng mới là rất quan trọng". Nhìn chung, cách duy nhất để CO2 hoạt động mạnh trong điều kiện điện hóa là với đầu vào năng lượng lớn dưới dạng điện áp cao, có thể là một quá trình tốn kém và không hiệu quả. Lý tưởng nhất, khí thải này sẽ phải trải qua các phản ứng sinh ra chất gì đó đáng giá như một hóa chất hữu ích hoặc nhiên liệu. Tuy nhiên, những nỗ lực chuyển đổi điện hóa thường được thực hiện trong nước, vẫn bị cản trở bởi đầu vào năng lượng cao và mức độ chọn lọc kém của các hóa chất được tạo ra.

Các nhà khoa học với kinh nghiệm nghiên cứu các phản ứng điện hóa khô (không dùng nước) như các phản ứng tạo ra pin lithium, đã xem xét khía cạnh hóa học của việc thu CO2 để tạo ra chất điện phân chứa CO2 - một trong 3 bộ phận thiết yếu của pin - nơi khí được thu để sử dụng trong quá trình xả sạc để cung cấp công suất đầu ra.

Phương pháp này khác với việc giải phóng CO2 trở lại giai đoạn khí để lưu trữ lâu dài, như hiện nay được sử dụng trong công nghệ thu giữ và cô lập cacbon (CCS). Lĩnh vực này thường chú trọng đến cách thu CO2 từ nhà máy điện thông qua quá trình hấp thụ hóa chất và sau đó lưu trữ dưới lòng đất hoặc thay đổi hóa học thành nhiên liệu hoặc nguyên liệu hóa học. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một phương pháp mới có khả năng được sử dụng ngay trong dòng chất thải của nhà máy điện để tạo ra vật liệu cho một trong những thành phần chính của pin.

Dù trong thời gian gần đây, pin lithium CO2 sử dụng khí như chất phản ứng trong quá trình xả sạc, đang ngày càng được quan tâm phát triển, nhưng phản ứng yếu của CO2 thường cần đến các chất xúc tác kim loại. Các chất xúc tác này không chỉ có giá thành cao, mà chức năng của chúng vẫn chưa được xác định rõ và các phản ứng rất khó kiểm soát.

Tuy nhiên, bằng cách kết hợp khí ở trạng thái lỏng, nhóm nghiên cứu đã tìm cách để đạt được khả năng chuyển đổi CO2 điện hóa mà chỉ sử dụng điện cực cacbon. Điểm mấu chốt là phải kích hoạt trước CO2 bằng cách kết hợp nó thành dung dịch amin. Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp này hoạt động và có thể tạo ra pin lithium CO2 với điện áp và công suất cạnh tranh với pin khí lithium hiện đại. Hơn nữa, các amin đóng vai trò như chất xúc tác phân tử không bị tiêu hao trong phản ứng.

Điểm mấu chốt là phải phát triển hệ thống chất điện phân phù hợp. Trong nghiên cứu ban đầu, các nhà khoa học đã sử dụng chất điện phân khô vì nó sẽ hạn chế các con đường phản ứng sẵn có và qua đó tạo điều kiện thuận lợi để mô tả phản ứng và xác định tính khả thi của nó. Vật liệu amin trong nghiên cứu hiện đang được sử dụng cho công nghệ CCS, trước đây chưa được dùng cho pin.

Hệ thống sơ khai này vẫn chưa được tối ưu và cần được phát triển hơn nữa. Vòng đời của pin chỉ giới hạn ở 10 chu kỳ sạc-xả sạc, nên cần nghiên cứu sâu hơn để tăng khả năng nạp bổ sung và ngăn chặn sự suy giảm của các thành phần pin.

Các nhà khoa học cũng đang nghiên cứu khả năng phát triển một hệ thống hoạt động liên tục sử dụng dòng khí CO2 ổn định trong điều kiện áp suất nhờ có vật liệu amin, cho phép tạo ra công suất điện ổn định trong thời gian dài như pin được cung cấp CO2. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu hy vọng biến đổi thành một hệ thống tích hợp sẽ thực hiện đồng thời cả thu giữ CO2 từ dòng thải của nhà máy điện và chuyển đổi nó thành vật liệu điện hóa để sử dụng trong pin. "Đó là cách để cô lập nó dưới dạng một sản phẩm hữu ích", Gallant nói.