Lacné protónové batérie konkurujú lítiu svojou hustotou energie

V podstate ide o iný spôsob využitia vodíka na skladovanie energie. Protónová batéria funguje niečo ako reverzibilný palivový článok, ktorý pri nabíjaní prijíma vodu, oddeľuje kladne nabité vodíkové ióny a uvoľňuje kyslík.

Väčšina vodíkových systémov umožňuje, aby sa tieto ióny spojili do plynného vodíka a potom vynaložili energiu buď na jeho stlačenie, podchladenie, aby sa vodík skvapalnil, alebo na ďalšie jeho spracovanie na amoniak. Protónová batéria namiesto toho ukladá protóny vodíka priamo a okamžite do otvorov v pevnej poréznej elektróde s aktívnym uhlím namočeným v zriedenej kyseline. Vybíjanie batérie je otázkou pridávania kyslíka a energia sa uvoľňuje ako sa produkuje voda.

Vo svojom najnovšom výskume sa inžinieri z RMIT zaoberali základmi fungovania protónovej batérie, najmä reakcií na strane kyslíka, s cieľom sformulovať a otestovať niekoľko nápadov, ako by sa mohla zlepšiť. Tieto myšlienky zahŕňali vákuové sušenie prášku aktívneho uhlia pred prípravou elektródy, aby sa odstránila voda z materiálu, mierne zahriatie celého článku na 70 °C počas prevádzky a výmena kyslíkovej strany plynovej difúznej vrstvy s oveľa tenšou vrstvou vlákna plynovej difúznej vrstvy.

Výhody, ako tím hovorí, boli obrovské, výsledkom čoho bola protónová batéria schopná uložiť takmer trikrát toľko energie na hmotnosť ako ich posledná batéria a „viac ako dvojnásobok najvyššieho elektrochemického skladovania vodíka s použitím kyslého elektrolytu, ktorý bol predtým uvedený v literatúre“. Pri hustote 882 joulov na gram sa to zhruba rovná 245 Wh/kg, čo je presne toľko, koľko majú dobré komerčné lítiové batérie, ktoré sú v súčasnosti na trhu.

Aké by teda boli výhody protónovej batérie, keď bude komerčne dostupná? Je to veľmi bezpečný a stabilný spôsob prepravy vodíka, na rozdiel od vysokotlakového plynu, neustále vriacej kryogénnej kvapaliny alebo vysoko žieravého amoniaku. Mala by vydržať dlho a rýchlo sa nabíjať. Bude to relatívne lacné, pretože nepotrebujete lítium ani žiadne iné exotické kovy a batéria sa dá vyrobiť pomocou hojne sa vyskytujúcich materiálov a lacnej výroby. Bude tiež 100% recyklovateľná.

„Naša batéria má hmotnosť energie na jednotku už porovnateľnú s komerčne dostupnými lítium-iónovými batériami, pričom je oveľa bezpečnejšia a lepšia pre planétu, pokiaľ ide o to, že zo zeme odoberá menej zdrojov,“ povedal John Andrews, vedúci výskumník a profesor na RMIT.

„Naša batéria je tiež potenciálne schopná veľmi rýchleho nabíjania,“ pokračoval Andrews. „Hlavným zdrojom používaným v našej protónovej batérii je uhlík, ktorý je hojný, dostupný vo všetkých krajinách a je lacný, v porovnaní so zdrojmi potrebnými pre iné typy nabíjacích batérií, napríklad ako lítium, kobalt a vanád. S protónovou batériou tiež neexistujú žiadne environmentálne výzvy na konci životnosti, pretože všetky komponenty a materiály možno omladiť, znovu použiť alebo recyklovať. Naša protónová batéria má tiež oveľa nižšie straty ako konvenčné vodíkové systémy, vďaka čomu je priamo porovnateľná s lítium-iónovými batériami z hľadiska energetickej účinnosti“.

Tím sa v tejto fáze zameriava na energetickú účinnosť viac ako 75 %. No na celkovom dizajne systému je potrebné ešte popracovať.

„Špecifická energia založená na hmotnosti elektródy uvedená v našom článku bola 245 Wh/kg,“ pokračuje Andrews. „Ale táto hodnota sa zníži, keď sa započíta aj hmotnosť ostatných komponentov batérie, aj keď existuje veľa možností, ako ich udržať veľmi ľahké. Očakávajte tiež zvýšenie tohto čísla optimalizáciou celkového dizajnu a prevádzky článkov“.

Vyzerá to však skôr ako konkurent batérií než konkurent palivových článkov. V aplikáciách, ako je letectvo, kde je hmotnosť najvyššou prioritou, plynný a kvapalný vodík stále unesie niekoľkonásobne viac energie na kilogram hmotnosti systému.

Napriek tomu sa tím snaží komercializovať protónovú batériu. „Tešíme sa na ďalší vývoj tejto technológie v Melbourne a v Taliansku v spolupráci s Eldor Corporation, aby sme vyrobili prototyp batérie s úložnou kapacitou, ktorá spĺňa potreby mnohých domácich a komerčných aplikácií,“ povedal Andrews. „Cieľom tejto spolupráce je rozšíriť systém z wattu na kilowatt a nakoniec na megawatt“.

Výskum je dostupný v magazíne Journal of Power Sources.