Акумулятори наближаються до краю з погляду того, скільки енергії вони можуть зберігати для своєї ваги. Це серйозна перешкода для енергетичних інновацій та пошуку нових способів живлення літаків, поїздів та кораблів. Дослідники з Массачусетського технологічного інституту та інших організацій розробили рішення, яке може допомогти електрифікувати ці транспортні системи.
Замість акумулятора нова концепція є своєрідним паливним елементом, який схожий на акумулятор, але може швидко заправлятися, а не перезаряджатися. У цьому випадку паливом є рідкий металевий натрій, недорогий та широко доступний продукт. Інша сторона елемента - це просто звичайне повітря, яке є джерелом атомів кисню. Між ними шар твердого керамічного матеріалу служить електролітом, дозволяючи іонам натрію вільно проходити, а пористий електрод, звернений до повітря, допомагає хімічно натрію реагувати з киснем і виробляти електрику.
У серії експериментів із прототипом пристрою дослідники продемонстрували, що цей елемент може переносити втричі більше енергії на одиницю ваги, ніж літій-іонні акумулятори, що використовуються практично у всіх електромобілях сьогодні. Їхні висновки опубліковані в журналі Joule у статті докторантів Массачусетського технологічного інституту Карен Сугано, Суніла Майра та Саахіра Ганті-Агравала; професора матеріалознавства та інженерії Йєт-Мінга Чіанга; та ще п'ятьох інших.
"Ми очікуємо, що люди подумають, що це абсолютно шалена ідея", - говорить Чіанг, який є професором кераміки в Kyocera. «Якби вони цього не зробили, я був би трохи розчарований, тому що якщо люди не вважають щось абсолютно божевільним з першого погляду, то, мабуть, це не буде таким революційним».
І ця технологія, здається, справді має потенціал стати справді революційною, припускає він. Зокрема, для авіації, де вага особливо важлива, таке покращення щільності енергії може стати проривом, який нарешті зробить політ з електричним приводом практичним у значних масштабах.
"Поріг, який вам дійсно потрібен для реалістичної електричної авіації, становить близько 1000 ват-годин на кілограм", - говорить Чіанг. Сьогоднішні літій-іонні акумулятори електромобілів досягають близько 300 ват-годин на кілограм – це далеко не те, що потрібно. Навіть за 1000 ват-годин на кілограм, каже він, цього буде недостатньо для трансконтинентальних або трансатлантичних перельотів.
Це все ще за межами досяжності для будь-якої відомої хімічної батареї, але Чан каже, що досягнення 1000 Вт на кілограм стане технологією, що забезпечує можливості для регіональної електричної авіації, на частку якої припадає близько 80 відсотків внутрішніх рейсів та 30 відсотків викидів від авіації.
Ця технологія може стати засобом забезпечення можливостей і для інших секторів, включаючи морський та залізничний транспорт. "Всі вони вимагають дуже високої щільності енергії, і всі вони вимагають низької вартості", - каже він. "І це те, що привабило нас до металевого натрію".
За останні три десятиліття було проведено багато досліджень з розробки літій-повітряних або натрій-повітряних акумуляторів, але їх було важко повністю перезаряджати. «Люди вже давно знають про щільність енергії, яку можна отримати за допомогою металоповітряних батарей, і це було дуже привабливо, але на практиці це просто ніколи не реалізовувалося», — каже Чан.
Використовуючи ту ж саму базову електрохімічну концепцію, лише зробивши її паливним елементом замість батареї, дослідники змогли отримати переваги високої щільності енергії у практичній формі. На відміну від батареї, матеріали якої збираються один раз і запечатуються в контейнері, у паливному елементі енергонесучі матеріали входять та виходять.
Команда створила дві різні версії лабораторного прототипу системи. В одній з них, яка називається осередком H, дві вертикальні скляні трубки з'єднані трубкою посередині, яка містить твердий керамічний електролітний матеріал і пористий повітряний електрод. Рідкий металевий натрій заповнює трубку з одного боку, а повітря протікає через іншу, забезпечуючи кисень для електрохімічної реакції в центрі, яка поступово споживає натрієве паливо. Інший прототип використовує горизонтальну конструкцію з піддоном з електролітного матеріалу, що утримує рідке натрієве паливо. Пористий повітряний електрод, що полегшує реакцію, прикріплений до нижньої частини піддона.
Випробування з використанням повітряного потоку з ретельно контрольованим рівнем вологості дали рівень понад 1500 ват-годин на кілограм на рівні окремої «стопки», що означатиме понад 1000 ват-годин на рівні всієї системи, каже Чан.
Дослідники припускають, що для використання цієї системи в літаку паливні пакети, що містять стопки, як стійки з тацями для їжі в кафетерії, будуть вставлені в паливні елементи; металевий натрій усередині цих пакетів хімічно перетворюється, оскільки він забезпечує енергію. Виділяється потік його хімічного побічного продукту, і у разі літака він викидатиметься ззаду, як вихлоп реактивного двигуна.
Але є дуже велика відмінність: не буде жодних викидів вуглекислого газу. Натомість викиди, що складаються з оксиду натрію, фактично вбиратимуть вуглекислий газ з атмосфери. Ця сполука швидко з'єднуватиметься з вологою в повітрі, утворюючи гідроксид натрію — матеріал, що зазвичай використовується як очищувач для каналізації, — який легко з'єднується з вуглекислим газом, утворюючи твердий матеріал, карбонат натрію, який, своєю чергою, утворює бікарбонат натрію, також відомий як харчова сода.
"Існує природний каскад реакцій, який відбувається, коли ви починаєте з металевого натрію", - говорить Чан. «Все це відбувається спонтанно. Нам не потрібно нічого робити, щоб це сталося, нам просто потрібно керувати літаком».
Як додаткова перевага, якщо кінцевий продукт, бікарбонат натрію, потрапить в океан, він може допомогти розкислити воду, протидіючи іншому руйнівному впливу парникових газів.
Використання гідроксиду натрію для уловлювання вуглекислого газу було запропоновано як спосіб пом'якшення викидів вуглецю, але саме по собі це неекономічне рішення, оскільки з'єднання занадто дороге. «Але тут це побічний продукт», — пояснює Чан, тому він, по суті, безплатний, виробляючи екологічні переваги без жодних витрат.
Важливо те, що новий паливний елемент за своєю суттю безпечніший від багатьох інших батарей, говорить він. Металевий натрій є надзвичайно реактивним і повинен бути добре захищений. Як і у випадку з літієвими батареями, натрій може мимовільно спалахнути при дії вологи. "Коли у вас є акумулятор з дуже високою щільністю енергії, безпека завжди викликає занепокоєння, тому що якщо відбудеться розрив мембрани, що поділяє два реагенти, може статися неконтрольована реакція", - говорить Чан. Але в цьому паливному елементі одна сторона — це просто повітря, яке розведене та обмежене. Тому у вас немає двох концентрованих реагентів прямо поряд один з одним. Якщо ви прагнете дійсно дуже високої щільності енергії, вам краще мати паливний елемент, ніж акумулятор з міркувань безпеки».
Хоча пристрій поки що існує лише у вигляді невеликого одноелементного прототипу, Чан каже, що система має бути досить простою у масштабуванні до практичних розмірів для комерціалізації. Члени дослідницької групи створили компанію Propel Aero для розробки технології. В цей час компанія розміщується в інкубаторі стартапів Массачусетського технологічного інституту The Engine.
Виробництво достатньої кількості металевого натрію для забезпечення широкомасштабного, повномасштабного глобального впровадження цієї технології має бути практичним, оскільки цей матеріал уже вироблявся у великих масштабах. Коли етилований бензин був нормою, до того, як його поступово вивели з експлуатації, металевий натрій використовувався для виробництва тетраетилсвинцю, що використовувався як добавка, і він вироблявся в США з потужністю 200 000 тонн на рік. "Це нагадує нам, що металевий натрій колись вироблявся у великих масштабах і безпечно використовувався і розповсюджувався по всій території США", - говорить Чан.
Щобільше, натрій в основному походить з хлориду натрію або солі, тому він широко поширений по всьому світу і легко витягується, на відміну від літію та інших матеріалів, що використовуються в сучасних акумуляторах електромобілів.
Система, яку вони передбачають, використовуватиме багаторазовий картридж, який буде заповнений рідким металевим натрієм і запечатаний. Коли він закінчиться, його можна буде повернути на заправну станцію і заповнити свіжим натрієм. Натрій плавиться при температурі 98 градусів за Цельсієм, що трохи нижче від точки кипіння води, тому його легко нагріти до точки плавлення, щоб заправити картриджі.
Спочатку планується створити паливний елемент розміром з цеглу, яка зможе виробляти близько 1000 ват-годин енергії, що достатньо для живлення великого безпілотника, щоб довести концепцію у практичній формі, яку можна буде використати, наприклад, у сільському господарстві. Команда сподівається, що така демонстрація буде готова упродовж наступного року.
Сугано, яка провела велику частину експериментальної роботи в рамках своєї докторської дисертації й тепер працюватиме у стартапі, каже, що ключовим розумінням була важливість вологи у процесі. Коли вона тестувала пристрій із чистим киснем, а потім із повітрям, вона виявила, що кількість вологи в повітрі має вирішальне значення для ефективності електрохімічної реакції. Вологе повітря привело до того, що натрій виробляв свої продукти розряду в рідкій, а не твердій формі, що значно спростило їх видалення потоком повітря через систему. "Ключ полягав у тому, що ми можемо формувати цей рідкий продукт розряду і легко видаляти його, на відміну від твердого розряду, який утворюється в сухих умовах", - каже вона.
Ганті-Агравал зазначає, що команда спиралася на різні інженерні підгалузі. Наприклад, було проведено багато досліджень високотемпературного натрію, але жодне з них не стосувалося системи з контрольованою вологістю. «Ми спираємося на дослідження паливних елементів з погляду проєктування нашого електрода, ми спираємося на старіші дослідження високотемпературних батарей, а також на деякі дослідження натрій-повітряних батарей, що зароджуються, і свого роду змішуємо їх разом», що призвело до «великого стрибка продуктивності», якого досягла команда, каже він.
