Brint brændselsceller:Med en database på 500, 000 materialer, forskerne er på nul i de bedste bud

Mens forskere arbejder hen imod næste generation af elbiler, de slår måske hovedet i loftet af, hvad lithium-ion-batterier kan levere.

I mellemtiden et team af forskere fra University of Michigan skubber ydeevnen af ​​en konkurrerende elektrisk køretøjsteknologi - brintbrændselsceller - til nye højder.

En brintbrændselscelle er en nul-skadelig emissions strømkilde, der fungerer som en krydsning mellem et batteri og en benzintank. Det bruger brint som brændstof og udnytter reaktionen mellem brint og ilt til at producere elektricitet. Den eneste "emission" er vand.

En begrænsning ved denne teknologi er evnen til at opbevare tilstrækkelige mængder brint ombord. UM-forskerne har identificeret måder at proppe mere brint end nogensinde før i små lagerstrukturer kaldet metal-organiske rammer, øge energitætheden, og, som resultat, den forventede rækkevidde for et brændselscellekøretøj.

Metal organiske rammer, eller MOF'er, er designermaterialer bestående af metalioner koblet med organiske molekyler. Deres porøse natur gør nogle MOF'er til blandt de mest lovende måder at opbevare brint på.

Michigan-forskere indsamlede oplysninger om alle tilgængelige MOF'er, de tidligere konstruerede såvel som dem, der forbliver hypotetiske, ind i en database. High-throughput computersimuleringer blev derefter brugt til at gennemsøge den resulterende databank på næsten 500, 000 MOF'er for dem, der har lovende kapaciteter.

Der blev identificeret tre kandidater, der kunne overgå tidligere rekorder for brintlagring. Forskerne syntetiserede derefter disse materialer og demonstrerede deres ydeevne.

"Vi demonstrerer mere energitæt lagring end tidligere vist, sagde Don Siegel, U-M lektor i maskinteknik. "Du kan måske beskrive det som mere effektivt - at lægge mere energi i et mindre rum og i en lettere pakke."

Som offentliggjort i denne uge i Naturkommunikation , de tre MOF'er er døbt SNU-70, UMCM-9 og PCN-610/NU-100. Hver overgik ydeevnen af ​​IRMOF-20, en anden MOF identificeret af holdet i 2017.

"Disse materialer etablerer et nyt højvandsmærke for brugbare brintkapaciteter i MOF'er, " hedder det i undersøgelsen.

Brintbrændselsceller har længe holdt et løfte som en emissionsfri strømkilde til elbiler. De har, imidlertid, taget et bagsæde til lithium-ion-batterier, som du finder inde i de fleste af de bærbare elektroniske enheder, der produceres i dag - fra mobiltelefoner og tablets, til digitale kameraer og elbiler.

Brintbrændselscellesystemer har flere fordele i forhold til lithium-ion-batterier. Det mest udbredte element i universet, brint er langt mere almindeligt end lithium, så der er lille chance for, at der nogensinde er et forsyningsproblem.

Og en brintbrændselscellebil kan genoplades på en station på få minutter, cirka samme tid, det tager at fylde en benzintank nu. I modsætning, fulde opladningstider for elbiler med lithiumbatterier måles typisk i timer.

Der er ulemper, der har begrænset bilindustriens omfavnelse af brint, imidlertid. For eksempel, at producere brint er i øjeblikket meget dyrere end udvinding og raffinering af olie.

Transport af brintbrændstof er et andet problem. Som en gas, det er svært at flytte og opbevare store mængder brint effektivt, rejser spørgsmål om, hvorvidt det skal flyttes i flydende form i semitrucks eller shuttles gennem rørledninger som en gas.

Men lokket for, hvad brint potentielt kan betyde for biler, og miljøet, har beholdt store bilproducenter som Ford, Hyundai, Toyota, Honda og GM involveret i dens udvikling.

Elektriske køretøjsdesignere søger konstant at reducere størrelsen af ​​en bils strømsystem som et middel til at øge effektiviteten. Ved at øge mængden af ​​brint, der kan opbevares i en MOF-adsorbent, Siegel sagde, det nødvendige tryk for at opbevare det kan reduceres. Tankens størrelse kan også reduceres.

"Vi ønsker at eliminere energilagringsproblemet for brintbrændselscellekøretøjer. Dette viser, at vi bevæger os i den retning, " sagde Siegel.