Naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW Sydney) opracowali przełomowy typ baterii, który może odegrać istotną rolę w przyszłości magazynowania energii. Zamiast popularnego, ale problematycznego litu, nowe ogniwa wykorzystują protony – najlżejsze i najmniejsze jony – do magazynowania i przekazywania ładunku elektrycznego.
Nowa koncepcja baterii wyróżnia się przy tym połączeniem trzech cech: bezpieczeństwa, ekologiczności i możliwości pracy w trudnych warunkach, jak np. niskie temperatury. Jednak największe wrażenie wywołuje fakt, że wszystko to osiągnięto przy wykorzystaniu wyłącznie materiałów organicznych, bez udziału metali ciężkich, wszechobecnych we współczesnych bateriach.
Od litu do protonów – dlaczego potrzebujemy alternatywy?
Baterie litowo-jonowe są dziś praktycznie wszędzie. Zasilają drobiazgi – czyli smartwatche, smartfony i laptopy; większe urządzenia – np. samochody elektryczne; oraz są najważniejszym elementem zaawansowanych systemów magazynowania energii. Ich największą wadą jest proces produkcyjny, wymagający ogromnych ilości wody i energii, a także wykorzystujący surowce o ograniczonej dostępności. Ponadto akumulatory Li-Ion są bardzo problematyczne w recyklingu, a w skrajnych temperaturach stają się niestabilne – ich wydajność znacząco spada w niskich temperaturach, a używane w nich łatwopalne elektrolity stwarzają zagrożenie pożarowe.
Zespół z UNSW Sydney, kierowany przez prof. Chuana Zhao i doktoranta Sichenga Wu, podjął próbę stworzenia nowego typu baterii, wolnego od tych ograniczeń. Efektem ich badań jest w pełni organiczna bateria protonowa, która nie tylko działa w temperaturach poniżej zera, ale także cechuje się długą żywotnością i szybkim tempem ładowania.
Bateria protonowa a bateria litowo-jonowa
W klasycznej baterii energia elektryczna powstaje dzięki przepływowi jonów między anodą a katodą poprzez elektrolit. W bateriach litowych tymi jonami są jony litu. W baterii protonowej ich rolę przejmują protony, czyli dodatnio naładowane cząstki będące składnikiem atomów wodoru.
Dzięki niewielkim rozmiarom i masie, protony mogą przemieszczać się szybciej niż cięższe jony metali, co pozwala na znacznie szybsze ładowanie baterii. Co więcej, zastosowanie wodnego elektrolitu zamiast organicznych rozpuszczalników eliminuje ryzyko zapłonu.
Sercem nowej technologii jest cząsteczka organiczna o niezwykle poetyckiej nazwie tetraamino-benzochinon (TABQ), zaprojektowana i opracowana w laboratorium UNSW. Wyjściowym związkiem był wcześniej badany tetrachlorobenzochinon (TCBQ), jednak jego właściwości elektrochemiczne nie były wystarczające dla praktycznego zastosowania. Zmieniając grupy chlorowe na grupy aminowe, naukowcom udało się stworzyć materiał, który nie tylko skutecznie magazynuje protony, ale również wykazuje odpowiednie napięcie robocze do roli anody.
– Opracowaliśmy nowy materiał cząsteczkowy o dużej pojemności, zdolny do skutecznego przechowywania protonów – tłumaczy prof. Zhao. – Używając TABQ jako anody oraz TCBQ jako katody, zbudowaliśmy w pełni organiczną baterię, która zachowuje wysoką sprawność zarówno w temperaturze pokojowej, jak i poniżej zera.
Testy laboratoryjne: imponująca trwałość i bezpieczeństwo
Prototyp baterii protonowej, składający się z elektrody TABQ i katody TCBQ, został poddany intensywnym testom. Ogniwo przeszło ponad 3500 pełnych cykli ładowania i rozładowania bez zauważalnego spadku wydajności. Dla porównania – wiele baterii litowo-jonowych zaczyna tracić pojemność po kilkuset cyklach.
Co istotne, ogniwo działało równie skutecznie w temperaturach poniżej zera, co czyni je potencjalnym kandydatem do zastosowania w zimnych rejonach świata czy w systemach magazynowania energii pracujących w niekorzystnych warunkach klimatycznych.
– W bateriach litowo-jonowych stosuje się palne rozpuszczalniki – podkreśla prof. Zhao. – Nasz projekt wykorzystuje wodny elektrolit, co sprawia, że całość jest lżejsza, bezpieczniejsza i tańsza w produkcji.
Co się kryje w baterii protonowej?
Kluczowym elementem działania baterii protonowej jest tzw. mechanizm Grotthussa. To proces znany z chemii fizycznej, polegający na „przeskakiwaniu” protonów między cząsteczkami w sieci wiązań wodorowych. Takie rozwiązanie pozwala na szybki i efektywny transport ładunku, bez konieczności fizycznego przemieszczania całej cząsteczki.
Zespół badawczy współpracował również z dr. Pimem Vongsvivutem z Australian Synchrotron. Dzięki zaawansowanej technice spektroskopii w podczerwieni udało się w czasie rzeczywistym śledzić zmiany chemiczne zachodzące podczas pracy ogniwa. Zespół potwierdził, że reakcje zachodzące w elektrolicie i na powierzchni elektrod mają charakter odwracalny, co ma bezpośredni wpływ na jej długą żywotność.
Jak podkreśla Sicheng Wu, mimo że materiał TABQ nie należy jeszcze do najtańszych, jego produkcja oparta jest na lekkich i powszechnie dostępnych pierwiastkach, co daje nadzieję na znaczące obniżenie kosztów przy produkcji masowej.
– Wciąż nie mamy dobrego rozwiązania dla magazynowania energii na dużą skalę – mówi Wu. – Baterie litowe są zbyt drogie i niebezpieczne. Nasze rozwiązanie może to zmienić.
Magazynowanie energii to nie wszystko
Nowa technologia może znaleźć zastosowanie także w transporcie wodoru. Przechowywanie go w postaci cząsteczkowej (H₂) jest trudne i niebezpieczne – gaz ten jest łatwopalny i wymaga specjalnych zbiorników. Jednak wodór w formie jonów H⁺, czyli protonów, jest znacznie stabilniejszy. Tym sposobem baterie protonowe mogłyby umożliwić bezpieczny transport wodoru w stabilniejszej formie i przekształcanie go w gaz dopiero w miejscu docelowym.
– Nasze odkrycie może zrewolucjonizować sposób magazynowania i przesyłania wodoru – podsumowuje prof. Zhao. – Dotychczas był to jeden z największych problemów w rozwoju gospodarki wodorowej. Teraz mamy realne rozwiązanie.
Podsumowanie
Bateria protonowa opracowana przez zespół naukowców z UNSW Sydney zapowiada się na bardzo obiecującą alternatywę dla technologii litowo-jonowej. W pełni organiczna konstrukcja, zastosowanie wodnego elektrolitu oraz zdolność do pracy w niskich temperaturach mogą uczynić ją przydatną w przyszłych systemach magazynowania energii. Obiecujące wyniki testów laboratoryjnych, potwierdzających długą żywotność i wysoką stabilność, sugerują duży potencjał tej technologii w kontekście zarówno przemysłowym, jak i konsumpcyjnym.
Zastosowanie lekkich i powszechnie dostępnych materiałów to klucz do niższych kosztów produkcji w skali masowej, co w połączeniu z podwyższonym poziomem bezpieczeństwa może mieć istotny wpływ na projektowanie przyszłych rozwiązań energetycznych opartych np. o odnawialne źródła energii. Jednocześnie nie sposób zapomnieć o dodatkowym potencjale nowej technologii, czyli umożliwieniu bezpieczniejszego transportu wodoru.
Choć technologia protonowa znajduje się na wczesnym etapie rozwoju, jej potencjalne możliwości sprawiają, że bezdyskusyjnie jest to temat wart dalszych inwestycji i rozwoju.
źródła: unsw.edu.au, thebrighterside.news, .ansto.gov.au
Dodaj komentarz