Al magt til protonen:Forskere gør batteriets gennembrud

Forskere fra RMIT University i Melbourne, Australien har for første gang demonstreret et fungerende genopladeligt "protonbatteri", der kunne omkoble, hvordan vi strømforsyner vores hjem, køretøjer og enheder.

Det genopladelige batteri er miljøvenligt, og har potentialet, med videreudvikling, til at lagre mere energi end de nuværende lithium-ion-batterier.

Potentielle anvendelser for protonbatteriet omfatter husholdningsopbevaring af elektricitet fra solcellepaneler, som gjort i øjeblikket af Tesla 'Power wall' ved hjælp af lithium-ion-batterier.

Med nogle ændringer og opskalering, protonbatteriteknologi kan også bruges til mellemstor lagring på elnet - - som det gigantiske lithiumbatteri i det sydlige Australien - såvel som til at drive elektriske køretøjer.

Det fungerende prototype protonbatteri bruger en kulelektrode som et brintlager, kombineret med en reversibel brændselscelle til at producere elektricitet.

Det er kulstofelektroden plus protoner fra vand, der giver protonbatteriet dets miljø, energi og potentiel økonomisk fordel, siger ledende forsker professor John Andrews.

"Vores seneste fremskridt er et afgørende skridt mod billige, bæredygtige protonbatterier, der kan hjælpe med at opfylde vores fremtidige energibehov uden yderligere at skade vores allerede skrøbelige miljø, " sagde Andrews.

"Når verden bevæger sig mod iboende variabel vedvarende energi for at reducere drivhusemissioner og tackle klimaændringer, krav til lagring af elektrisk energi vil være enorme.

"Protonbatteriet er en blandt mange potentielle bidragydere til at imødekomme denne enorme efterspørgsel efter energilagring. At drive batterier med protoner har potentialet til at være mere økonomisk end at bruge lithium-ioner, som er lavet af skræmmeressourcer.

"Kulstof, som er den primære ressource, der bruges i vores protonbatteri, er rigeligt og billigt sammenlignet med begge metallegeringer til brintlagring, og det lithium, der er nødvendigt til genopladelige lithium-ion-batterier."

Under opladning, kulstoffet i elektroden binder sig til protoner dannet ved at spalte vand ved hjælp af elektroner fra strømforsyningen. Protonerne frigives igen og passerer tilbage gennem den reversible brændselscelle for at danne vand med ilt fra luften for at generere strøm. I modsætning til fossile brændstoffer, kulstoffet brænder ikke eller forårsager emissioner i processen.

Forskernes eksperimenter viste, at deres lille protonbatteri, med et aktivt indvendigt areal på kun 5,5 kvadratcentimeter, var allerede i stand til at lagre lige så meget energi pr. masseenhed som kommercielt tilgængelige lithium-ion-batterier. Dette var før batteriet var blevet optimeret.

"Fremtidigt arbejde vil nu fokusere på yderligere at forbedre ydeevne og energitæthed gennem brug af atomisk tynde lag kulstofbaserede materialer såsom grafen, med målet om et protonbatteri, der virkelig er konkurrencedygtigt med lithium-ion-batterier, der er fast i sigte, " sagde Andrews.

RMITs forskning i protonbatteriet er delvist finansieret af Australian Defense Science and Technology Group og US Office of Naval Research Global.

Sådan fungerer protonbatteriet

Det fungerende prototype protonbatteri kombinerer de bedste aspekter af brintbrændselsceller og batteribaseret elektrisk strøm.

Den seneste version kombinerer en kulelektrode til faststoflagring af brint med en reversibel brændselscelle for at give en integreret genopladelig enhed.

Den vellykkede brug af en elektrode lavet af aktivt kul i et protonbatteri er et væsentligt skridt fremad og rapporteres i International Journal of Hydrogen Energy .

Under opladning, protoner, der produceres ved vandspaltning i en reversibel brændselscelle, ledes gennem cellemembranen og binder sig direkte til lagringsmaterialet ved hjælp af elektroner, der leveres af den påførte spænding, uden at danne brintgas.

I strømforsyningstilstand er denne proces omvendt; brintatomer frigives fra lageret og mister en elektron og bliver til protoner igen. Disse protoner passerer derefter tilbage gennem cellemembranen, hvor de kombineres med ilt og elektroner fra det eksterne kredsløb for at omdanne vand.

En stor potentiel fordel ved protonbatteriet er meget højere energieffektivitet end konventionelle brintsystemer, hvilket gør det sammenligneligt med lithium-ion-batterier. Tabene forbundet med udvikling af brintgas og tilbagespaltning til protoner elimineres.

For flere år siden viste RMIT-teamet, at et protonbatteri med en metallegeringselektrode til lagring af brint kunne fungere, men dens reversibilitet og genopladelighed var for lav. Den anvendte legering indeholdt også sjældne jordarters grundstoffer, og var således tung og kostbar.

De seneste eksperimentelle resultater viste, at en porøs aktiveret kul-elektrode fremstillet af phenolharpiks var i stand til at lagre omkring 1 vægt% brint i elektroden. Dette er en energi pr. masseenhed, der allerede kan sammenlignes med kommercielt tilgængelige lithium-ion-batterier, selvom protonbatteriet langt fra er optimeret. Den maksimale cellespænding var 1,2 volt.