Nowe ogniwo paliwowe może stworzyć lotnictwo elektryczne. Urządzenia te mogłyby pomieścić trzykrotnie więcej energii na funt niż najlepsze dzisiejsze akumulatory do pojazdów elektrycznych, oferując lekką alternatywę do zasilania ciężarówek, samolotów i statków.
Baterie zbliżają się do swoich granic pod względem tego, ile energii mogą przechowywać przy danym ciężarze. To poważna przeszkoda dla innowacji energetycznych i poszukiwań nowych sposobów zasilania samolotów, pociągów i statków. Teraz naukowcy z MIT i innych uczelni znaleźli rozwiązanie, które może pomóc zelektryfikować te systemy transportowe.
Zamiast baterii, nową koncepcją jest rodzaj ogniwa paliwowego — które jest podobne do baterii, ale można je szybko uzupełniać, a nie ładować. W tym przypadku paliwem jest ciekły metaliczny sód, niedrogi i powszechnie dostępny towar. Drugą stronę ogniwa stanowi zwykłe powietrze, które służy jako źródło atomów tlenu. Pomiędzy nimi warstwa stałego materiału ceramicznego służy jako elektrolit, umożliwiając swobodny przepływ jonów sodu, a porowata elektroda skierowana w stronę powietrza pomaga sodowi w chemicznej reakcji z tlenem i wytwarzaniu elektryczności.
W serii eksperymentów z prototypowym urządzeniem naukowcy wykazali, że ta komórka może przenosić ponad trzy razy więcej energii na jednostkę masy niż baterie litowo-jonowe używane w praktycznie wszystkich dzisiejszych pojazdach elektrycznych. Ich odkrycia zostały opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Joule , w artykule doktorantów MIT Karen Sugano, Sunila Maira i Saahira Ganti-Agrawal; profesora nauk materiałowych i inżynierii Yet-Ming Chiang; i pięciu innych.
„Spodziewamy się, że ludzie pomyślą, że to całkowicie szalony pomysł” – mówi Chiang, profesor ceramiki w Kyocera. „Gdyby tak nie było, byłbym trochę rozczarowany, ponieważ jeśli ludzie na początku nie pomyślą, że coś jest całkowicie szalone, prawdopodobnie nie będzie to aż tak rewolucyjne”.
I ta technologia wydaje się mieć potencjał, by być całkiem rewolucyjną, sugeruje. W szczególności w lotnictwie, gdzie waga jest szczególnie istotna, taka poprawa gęstości energii może być przełomem, który w końcu uczyni lot zasilany elektrycznie praktycznym na znaczną skalę.
„Próg, którego naprawdę potrzebujesz dla realistycznego lotnictwa elektrycznego, to około 1000 watogodzin na kilogram” — mówi Chiang. Dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe do pojazdów elektrycznych osiągają maksymalnie około 300 watogodzin na kilogram — to wcale nie jest blisko tego, co jest potrzebne. Nawet przy 1000 watogodzinach na kilogram, mówi, nie wystarczyłoby to, aby umożliwić loty transkontynentalne lub transatlantyckie.
To wciąż pozostaje poza zasięgiem jakiejkolwiek znanej technologii produkcji akumulatorów, ale Chiang twierdzi, że osiągnięcie mocy 1000 watów na kilogram byłoby technologią umożliwiającą rozwój regionalnego lotnictwa elektrycznego, które odpowiada za około 80 procent lotów krajowych i 30 procent emisji pochodzących z lotnictwa.
Technologia ta może być również czynnikiem umożliwiającym rozwój innych sektorów, w tym transportu morskiego i kolejowego. „Wszystkie wymagają bardzo wysokiej gęstości energii i wszystkie wymagają niskich kosztów” — mówi. „I to właśnie przyciągnęło nas do sodu metalicznego”.
W ciągu ostatnich trzech dekad przeprowadzono wiele badań nad rozwojem baterii litowo-powietrznych lub sodowo-powietrznych, ale trudno było sprawić, by nadawały się do pełnego ładowania. „Ludzie od dawna wiedzą o gęstości energii, jaką można uzyskać dzięki bateriom metalowo-powietrznym, i jest to niezwykle atrakcyjne, ale nigdy nie zostało zrealizowane w praktyce” — mówi Chiang.
Wykorzystując tę samą podstawową koncepcję elektrochemiczną, czyniąc ją jedynie ogniwem paliwowym zamiast baterią, badacze byli w stanie uzyskać zalety wysokiej gęstości energii w praktycznej formie. W przeciwieństwie do baterii, której materiały są składane raz i zamykane w pojemniku, w przypadku ogniwa paliwowego materiały przenoszące energię wchodzą i wychodzą.
Zespół stworzył dwie różne wersje prototypu systemu w skali laboratoryjnej. W jednej z nich, zwanej ogniwem H, dwie pionowe szklane rurki są połączone rurką pośrodku, która zawiera stały ceramiczny materiał elektrolityczny i porowatą elektrodę powietrzną. Ciekły metaliczny sód wypełnia rurkę z jednej strony, a powietrze przepływa przez drugą, dostarczając tlen do reakcji elektrochemicznej w środku, która kończy się stopniowym zużyciem paliwa sodowego. Drugi prototyp wykorzystuje poziomą konstrukcję z tacą z materiałem elektrolitycznym, na której znajduje się płynne paliwo sodowe. Porowata elektroda powietrzna, która ułatwia reakcję, jest przymocowana do dna tacy.
Testy z wykorzystaniem strumienia powietrza o starannie kontrolowanym poziomie wilgotności wykazały poziom ponad 1500 watogodzin na kilogram na poziomie pojedynczego „kominka”, co w przypadku całego systemu oznaczałoby ponad 1000 watogodzin.
Naukowcy przewidują, że aby użyć tego systemu w samolocie, do ogniw paliwowych zostaną włożone pakiety paliwa zawierające stosy ogniw, takie jak stojaki z tackami z jedzeniem w stołówce; metaliczny sód wewnątrz tych pakietów ulega chemicznej transformacji, gdy dostarcza energię. Strumień jego chemicznego produktu ubocznego jest wydzielany, a w przypadku samolotu byłby on emitowany z tyłu, podobnie jak spaliny z silnika odrzutowego.
Ale jest bardzo duża różnica: nie byłoby emisji dwutlenku węgla. Zamiast tego emisje, składające się z tlenku sodu, faktycznie pochłaniałyby dwutlenek węgla z atmosfery. Ten związek szybko łączyłby się z wilgocią w powietrzu, tworząc wodorotlenek sodu — materiał powszechnie stosowany jako środek do czyszczenia odpływów — który łatwo łączy się z dwutlenkiem węgla, tworząc stały materiał, węglan sodu, który z kolei tworzy wodorowęglan sodu, inaczej znany jako soda oczyszczona.
„Istnieje naturalna kaskada reakcji, która ma miejsce, gdy zaczynasz od sodu metalicznego” – mówi Chiang. „To wszystko dzieje się spontanicznie. Nie musimy nic robić, aby to się wydarzyło, musimy po prostu polecieć samolotem”.
Dodatkową korzyścią jest to, że jeśli produkt końcowy, wodorowęglan sodu, trafi do oceanu, może pomóc w odkwaszeniu wody, co zniweluje inny szkodliwy wpływ gazów cieplarnianych.
Wykorzystanie wodorotlenku sodu do wychwytywania dwutlenku węgla zostało zaproponowane jako sposób na ograniczenie emisji dwutlenku węgla, ale samo w sobie nie jest to ekonomiczne rozwiązanie, ponieważ związek jest zbyt drogi. „Ale tutaj jest to produkt uboczny”, wyjaśnia Chiang, więc jest zasadniczo darmowy, przynosząc korzyści dla środowiska bez żadnych kosztów.
Co ważne, nowe ogniwo paliwowe jest z natury bezpieczniejsze niż wiele innych baterii, mówi. Metaliczny sód jest niezwykle reaktywny i musi być dobrze chroniony. Podobnie jak w przypadku baterii litowych, sód może samoistnie zapalić się, jeśli zostanie wystawiony na działanie wilgoci. „Zawsze, gdy masz baterię o bardzo dużej gęstości energii, bezpieczeństwo jest zawsze kwestią priorytetową, ponieważ jeśli nastąpi pęknięcie membrany oddzielającej dwa reagenty, może dojść do niekontrolowanej reakcji”, mówi Chiang. Ale w tym ogniwie paliwowym jedna strona jest po prostu powietrzem, „które jest rozcieńczone i ograniczone. Więc nie masz dwóch skoncentrowanych reagentów tuż obok siebie. Jeśli naciskasz na naprawdę, naprawdę dużą gęstość energii, wolisz mieć ogniwo paliwowe niż baterię ze względów bezpieczeństwa”.
Chociaż urządzenie do tej pory istnieje tylko jako mały, jednokomórkowy prototyp, Chiang mówi, że system powinien być dość prosty do skalowania do praktycznych rozmiarów w celu komercjalizacji. Członkowie zespołu badawczego założyli już firmę Propel Aero, aby rozwijać tę technologię. Firma jest obecnie umieszczona w inkubatorze startupów MIT, The Engine .
Wyprodukowanie wystarczającej ilości sodu metalicznego, aby umożliwić powszechne, pełnoskalowe globalne wdrożenie tej technologii, powinno być praktyczne, ponieważ materiał ten był już wcześniej produkowany na dużą skalę. Kiedy benzyna ołowiowa była normą, zanim została wycofana, sód metaliczny był używany do produkcji tetraetyloołowiu używanego jako dodatek i był produkowany w USA w ilości 200 000 ton rocznie. „Przypomina nam to, że sód metaliczny był kiedyś produkowany na dużą skalę i bezpiecznie obsługiwany i dystrybuowany w USA” — mówi Chiang.
Co więcej, sód powstaje głównie z chlorku sodu, czyli soli, jest więc szeroko rozpowszechniony na całym świecie i łatwy do wydobycia, w przeciwieństwie do litu i innych materiałów stosowanych we współczesnych akumulatorach pojazdów elektrycznych.
Przewidywany przez nich system będzie wykorzystywał wymienny wkład, który będzie napełniany ciekłym metalem sodowym i uszczelniany. Po wyczerpaniu będzie odsyłany do stacji napełniania i ładowany świeżym sodem. Sód topi się w temperaturze 98 stopni Celsjusza, tuż poniżej temperatury wrzenia wody, więc łatwo jest go podgrzać do temperatury topnienia, aby uzupełnić paliwo w wkładach.
Początkowo plan zakłada wyprodukowanie ogniwa paliwowego wielkości cegły, które może dostarczyć około 1000 watogodzin energii, wystarczającej do zasilania dużego drona, aby udowodnić tę koncepcję w praktycznej formie, która mogłaby być wykorzystana na przykład w rolnictwie. Zespół ma nadzieję, że taka demonstracja będzie gotowa w ciągu najbliższego roku.
Sugano, która przeprowadziła większość prac eksperymentalnych w ramach swojej pracy doktorskiej i będzie teraz pracować w startupie, mówi, że kluczowym spostrzeżeniem było znaczenie wilgoci w procesie. Podczas testowania urządzenia z czystym tlenem, a następnie z powietrzem, odkryła, że ilość wilgoci w powietrzu była kluczowa dla wydajności reakcji elektrochemicznej. Wilgotne powietrze powodowało, że sód wytwarzał swoje produkty wyładowania w postaci ciekłej, a nie stałej, co znacznie ułatwiało ich usuwanie przez przepływ powietrza przez system. „Kluczem było to, że możemy utworzyć ten ciekły produkt wyładowania i łatwo go usunąć, w przeciwieństwie do stałego wyładowania, które powstawałoby w suchych warunkach” — mówi.
Ganti-Agrawal zauważa, że zespół czerpał z różnych dziedzin inżynierii. Na przykład przeprowadzono wiele badań nad sodem wysokotemperaturowym, ale żadne z nich nie dotyczyło systemu z kontrolowaną wilgotnością. „Korzystamy z badań nad ogniwami paliwowymi pod kątem projektowania naszej elektrody, czerpiemy ze starszych badań nad akumulatorami wysokotemperaturowymi, a także z niektórych dopiero powstających badań nad akumulatorami sodowo-powietrznymi i w pewien sposób to wszystko łączymy”, co doprowadziło do „dużego wzrostu wydajności”, jaki osiągnął zespół, mówi.
W skład zespołu badawczego wchodzili również Alden Friesen, stażysta letni MIT, który uczęszcza do Desert Mountain High School w Scottsdale w Arizonie; Kailash Raman i William Woodford z Form Energy w Somerville w stanie Massachusetts; Shashank Sripad z And Battery Aero w Kalifornii oraz Venkatasubramanian Viswanathan z University of Michigan. Prace były wspierane przez ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures i National Science Foundation, a wykorzystano zaplecze MIT.nano.
Źródło: news.mit.edu