Επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Νέας Νότιας Ουαλίας (UNSW) στην Αυστραλία, ανέπτυξαν με επιτυχία μία επαναφορτιζόμενη μπαταρία πρωτονίων αξιοποιώντας ιόντα υδρογόνου αντί του παραδοσιακού λιθίου, δημιουργώντας υψηλές προσδοκίες για την αντιμετώπισης των σοβαρών προκλήσεων στην αποθήκευση ενέργειας, όπως της έλλειψης κρίσιμων πόρων, των περιβαλλοντικών επιπτώσεων και του κόστους.
Τα ευρήματα της έρευνας που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Angewandte Chemie International Edition, υπογραμμίζουν την ικανότητα της μπαταρίας να αποθηκεύει ενέργεια με μεγαλύτερη ταχύτητα και διάρκεια από ό,τι οι μπαταρίες λιθίου, ενώ σημειώνει καλές επιδόσεις σε λειτουργία υπό του μηδενός.
Το υλικό-τετρααμινο-βενζοκινόνη (TABQ) – που αναπτύχθηκε από τον υποψήφιο διδάκτορα Sicheng Wu και τον καθηγητή Chuan Zhao, σε συνεργασία με το τμήμα Μηχανικής του UNSW και τον Οργανισμό Πυρηνικής Επιστήμης και Τεχνολογίας της Αυστραλίας ANSTO, έχει αποδειχθεί ότι υποστηρίζει την ταχεία μετακίνηση πρωτονίων χρησιμοποιώντας δίκτυα δεσμών υδρογόνου.
«Αναπτύξαμε ένα νέο, υψηλής χωρητικότητας υλικό μικρών μορίων για την αποθήκευση πρωτονίων», σημειώνει ο καθηγητής Zhao, σύμφωνα με το TechXplore και προσθέτει ότι «χρησιμοποιώντας αυτό το υλικό, κατασκευάσαμε με επιτυχία μια αμιγώς οργανική μπαταρία πρωτονίων που είναι αποτελεσματική τόσο σε θερμοκρασία δωματίου όσο και σε θερμοκρασίες υπό το μηδέν».
Η βασική λειτουργία των μπαταριών
Οι μπαταρίες αποθηκεύουν χημική ενέργεια και τη μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω αντιδράσεων μεταξύ δύο ηλεκτροδίων – της ανόδου και της καθόδου. Τα σωματίδια που φέρουν φορτίο, γνωστά ως ιόντα, μεταφέρονται μέσω του μεσαίου συστατικού της μπαταρίας, γνωστού ως ηλεκτρολύτη.
Ο πιο συνηθισμένος τύπος μπαταριών που χρησιμοποιείται στα οικιακά προϊόντα είναι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου. Αυτές οι μπαταρίες, οι οποίες δημιουργούν ηλεκτρικό φορτίο μεταφέροντας ιόντα λιθίου μεταξύ ανόδου και καθόδου, είναι οι πιο διαδεδομένες λύσεις φορητής αποθήκευσης ενέργειας.
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως για τη φόρτιση προϊόντων όπως κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές και έξυπνα wearables, καθώς και νεότερα προϊόντα όπως ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ποδήλατα και σκούτερ. Ωστόσο, είναι πολύ δύσκολο να ανακυκλωθούν και απαιτούν τεράστιες ποσότητες νερού και ενέργειας για την παραγωγή τους.
«Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου γίνονται ήδη κυρίαρχο προϊόν στις εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας, αλλά έχουν πολλούς περιορισμούς», λέει ο κ. Sicheng Wu, υποψήφιος διδάκτορας της Σχολής Χημείας.
«Το λίθιο είναι ένας πεπερασμένος πόρος που δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένος στη γη, οπότε ορισμένες χώρες μπορεί να μην έχουν πρόσβαση σε πηγές λιθίου χαμηλού κόστους. Οι μπαταρίες λιθίου έχουν επίσης πολύ μεγάλες προκλήσεις όσον αφορά τις εφαρμογές ταχείας φόρτισης, την ασφάλεια και έχουν χαμηλή απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες».
Εναλλακτικές λύσεις για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου
Αν και σήμερα βασιζόμαστε σε πολύ μεγάλο βαθμό στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, ένας αυξανόμενος αριθμός εναλλακτικών λύσεων αναδύεται.
Οι μπαταρίες πρωτονίων κερδίζουν την προσοχή ως μια καινοτόμα και βιώσιμη εναλλακτική λύση στον τομέα της ενέργειας και έχουν χαρακτηριστεί ως μια από τις πιθανές λύσεις για τις συσκευές αποθήκευσης ενέργειας επόμενης γενιάς.
Τα πρωτόνια έχουν τη μικρότερη ιοντική ακτίνα και μάζα από όλα τα στοιχεία, γεγονός που τους επιτρέπει να διαχέονται γρήγορα. Η χρήση πρωτονίων οδηγεί σε μπαταρίες με υψηλή πυκνότητα ενέργειας και ισχύος. Επιπλέον, τα πρωτόνια είναι σχετικά φθηνά, παράγουν μηδενικές εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα και φορτίζονται γρήγορα.
«Οι μπαταρίες πρωτονίων έχουν πολλά πλεονεκτήματα», λέει ο κ. Wu. «Αλλά τα τρέχοντα υλικά ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται για τις μπαταρίες πρωτονίων, ορισμένα από τα οποία είναι κατασκευασμένα από οργανικά υλικά και άλλα από μέταλλα, είναι βαριά και εξακολουθούν να έχουν πολύ υψηλό κόστος».
Ενώ υπάρχουν ήδη μερικά οργανικά υλικά ηλεκτροδίων, πάσχουν επίσης από περιορισμένο εύρος τάσης και απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να γίνουν βιώσιμες μπαταρίες.
Μετά από πολλές δοκιμές οι ερευνητές κατέληξαν στην αντικατάσταση των τεσσάρων χλωροομάδων με τέσσερις αμινομάδες, φτάνοντας στο μόριο τετρααμινο-βενζακινόνη (TABQ). Με την προσθήκη αμινομάδων, οι ερευνητές βελτίωσαν σημαντικά την ικανότητα του υλικού να αποθηκεύει πρωτόνια και να μειώνει το εύρος του δυναμικού οξειδοαναγωγής του.
Όταν οι ερευνητές δοκίμασαν την μπαταρία πρωτονίων, τα αποτελέσματα ήταν εξαιρετικά ελπιδοφόρα.
Σε συνδυασμό με μια κάθοδο TCBQ, η αμιγώς οργανική μπαταρία προσφέρει μεγάλη διάρκεια ζωής (3.500 κύκλοι πλήρους φόρτισης και στη συνέχεια πλήρους αποφόρτισης της μπαταρίας), υψηλή χωρητικότητα και καλές επιδόσεις σε ψυχρές συνθήκες, καθιστώντας την ένα πολλά υποσχόμενο βήμα για την αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας.
«Ο ηλεκτρολύτης σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου αποτελείται από άλας λιθίου, έναν διαλύτη ο οποίος είναι εύφλεκτος και επομένως αποτελεί μεγάλη ανησυχία», λέει ο καθηγητής Zhao. «Στην περίπτωσή μας, έχουμε και τα δύο ηλεκτρόδια φτιαγμένα από οργανικά μόρια και ενδιάμεσα έχουμε το διάλυμα νερού, καθιστώντας την πρωτότυπη μπαταρία μας ελαφριά, ασφαλή και προσιτή».
Αποθήκευση ενέργειας σε κλίμακα δικτύου
Δεδομένου του χαμηλού κόστους, της υψηλής ασφάλειας και των επιδόσεων ταχείας φόρτισης της μπαταρίας πρωτονίων, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες καταστάσεις, συμπεριλαμβανομένης της αποθήκευσης ενέργειας σε κλίμακα δικτύου.
«Για να ενισχύσουμε τη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, πρέπει να αναπτύξουμε κάποιες πιο αποτελεσματικές τεχνολογίες ενσωμάτωσης ενέργειας και ο σχεδιασμός της μπαταρίας πρωτονίων μας είναι μια πολλά υποσχόμενη δοκιμή», λέει ο κ. Wu.
Αποθήκευση υδρογόνου
Ενώ οι πιθανές εφαρμογές είναι τεράστιες, οι ερευνητές είναι αποφασισμένοι να βελτιώσουν και να τελειοποιήσουν την μπαταρία πρωτονίων τους.
Ο καθηγητής Zhao σημειώνει επίσης ότι αυτό που τον ενθουσιάζει περισσότερο είναι ο μοναδικός μηχανισμός μεταφοράς πρωτονίων που έχουν εντοπίσει. «Η μεταφορά πρωτονίων είναι μια από τις πιο θεμελιώδεις διαδικασίες στη φύση, από το ανθρώπινο σώμα, μέχρι τα φυτά», αναφέρει. «Μπορούμε στην πραγματικότητα να μελετήσουμε πώς αυτός ο τύπος οργανικού μορίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως για την αποθήκευση υδρογόνου» υποστηρίζει ο ίδιος.
«Το μοριακό υδρογόνο (Η2) είναι πολύ δραστικό και επομένως δύσκολο να αποθηκευτεί και να μεταφερθεί. Αυτό αποτελεί επί του παρόντος εμπόδιο για τη βιομηχανία υδρογόνου. Ωστόσο, το υδρογόνο εξέρχεται και σε μια σταθερή μορφή: το πρωτόνιο (H+). Η ανάπτυξη υλικών για την αποθήκευση πρωτονίων, σημαίνει ότι το υδρογόνο μπορεί εύκολα να μεταφερθεί σε όλο τον κόσμο και στη συνέχεια να εξαχθεί όταν και όπου χρειάζεται. Η ανακάλυψή μας έκανε αυτή την ιδέα μια πιθανή πραγματικότητα», προσθέτει.
[ΦΩΤΟ ΑΡΧΕΙΟΥ]
