Исследователи из Университета RMIT в Мельбурне, Австралия, впервые продемонстрировали работающую перезаряжаемую «протонную батарею», которая может изменить то, как мы питаем наши дома, автомобили и устройства.
Эта перезаряжаемая батарея является экологически чистой и при дальнейшем развитии способна хранить больше энергии, чем имеющиеся в настоящее время литий-ионные батареи.
Потенциальные области применения протонной батареи включают бытовое хранение электроэнергии от солнечных фотоэлектрических панелей, как это в настоящее время делает Tesla 'Power wall' с использованием литий-ионных батарей.
С некоторыми модификациями и масштабированием, технология протонных батарей также может использоваться для хранения электроэнергии среднего масштаба в электрических сетях - например, гигантская литиевая батарея в Южной Австралии - а также для питания электромобилей.
Рабочий прототип протонной батареи использует угольный электрод в качестве хранилища водорода в сочетании с реверсивным топливным элементом для производства электроэнергии.
Это угольный электрод плюс протоны из воды, которые дают протонной батарее ее экологическое, энергетическое и потенциальное экономическое преимущество, говорит ведущий исследователь профессор Джон Эндрюс.
"Наше последнее достижение является решающим шагом на пути к дешевым, устойчивым протонным батареям, которые могут помочь удовлетворить наши будущие потребности в энергии без дальнейшего ущерба для нашей и без того хрупкой окружающей среды", - сказал Эндрюс.
По мере того, как мир движется к возобновляемым источникам энергии по своей природе для сокращения выбросов парниковых газов и решения проблемы изменения климата, требования к хранению электроэнергии будут гигантскими.
Протонная батарея является одним из многих потенциальных вкладчиков в удовлетворение этой огромной потребности в хранении энергии. Питание батарей протонами потенциально может быть более экономичным, чем использование ионов лития, которые производятся из дефицитных ресурсов.
"Углерод, который является основным ресурсом, используемым в нашей протонной батарее, распространен и дешев по сравнению как с металлическими сплавами для хранения водорода, так и с литием, необходимым для перезаряжаемых ионно-литиевых батарей."
Во время зарядки углерод в электроде связывается с протонами, образующимися при расщеплении воды с помощью электронов от источника питания. Протоны снова высвобождаются и проходят обратно через обратимый топливный элемент, образуя воду с кислородом из воздуха для выработки энергии. В отличие от ископаемого топлива, углерод не сгорает и не вызывает выбросов в процессе.
Эксперименты исследователей показали, что их небольшая протонная батарея с активной внутренней площадью всего 5,5 квадратных сантиметров (меньше, чем монета в 20 центов) уже способна хранить столько энергии на единицу массы, сколько коммерчески- доступные литий-ионные аккумуляторы. Это было до оптимизации батареи.
Будущая работа теперь будет сосредоточена на дальнейшем улучшении производительности и плотности энергии за счет использования атомарно-тонких слоистых материалов на основе углерода, таких как графен, с целью создания протонной батареи, которая действительно конкурентоспособна с литий-ионными батареями. зрелище, - сказал Эндрюс.
Исследования RMIT по протонной батарее частично финансировались Австралийской оборонной научно-технической группой и Глобальным управлением военно-морских исследований США.
Как работает протонная батарея
Рабочий прототип протонной батареи сочетает в себе лучшие аспекты водородных топливных элементов и электроэнергии на основе батарей.
Последняя версия сочетает в себе угольный электрод для твердотельного хранения водорода с реверсивным топливным элементом для создания интегрированного перезаряжаемого блока.
Успешное использование электрода из активированного угля в протонной батарее является значительным шагом вперед, о чем сообщается в International Journal of Hydrogen Energy.
Во время зарядки протоны, образующиеся при расщеплении воды в реверсивном топливном элементе, проходят через мембрану ячейки и напрямую связываются с материалом хранения с помощью электронов, питаемых приложенным напряжением, без образования газообразного водорода.
В режиме электроснабжения происходит обратный процесс; атомы водорода высвобождаются из хранилища и теряют электрон, чтобы снова стать протонами. Затем эти протоны проходят обратно через клеточную мембрану, где они объединяются с кислородом и электронами из внешней цепи, снова образуя воду.
Основным потенциальным преимуществом протонной батареи является гораздо более высокая энергоэффективность, чем у обычных водородных систем, что делает ее сравнимой с литий-ионными батареями. Устраняются потери, связанные с выделением газообразного водорода и его расщеплением обратно на протоны.
Несколько лет назад команда RMIT показала, что протонная батарея с электродом из металлического сплава для хранения водорода может работать, но ее обратимость и перезаряжаемость были слишком низкими. Кроме того, использованный сплав содержал редкоземельные элементы и поэтому был тяжелым и дорогим.
Последние экспериментальные результаты показали, что пористый электрод из активированного угля, изготовленный из фенольной смолы, способен удерживать в электроде около 1 мас.% водорода. Это энергия на единицу массы, уже сравнимая с имеющимися в продаже литий-ионными батареями, хотя протонная батарея далека от оптимизации. Максимальное напряжение на ячейке составляло 1,2 вольта.