Massachusetts Institute of Technology
Avtor: David L. Chandler
Te naprave bi lahko imele trikrat več energije na kilogram kot današnje najboljše baterije za električna vozila, kar bi pomenilo lažjo možnost za napajanje tovornjakov, letal ali ladij.
Baterije se približujejo svojim mejam glede količine energije, ki jo lahko shranijo pri določeni teži. To je resna ovira za energetske inovacije in iskanje novih načinov za napajanje letal, vlakov in ladij. Raziskovalci na MIT in drugod so zdaj pripravili rešitev, ki bi lahko pripomogla k elektrifikaciji teh prometnih sistemov.
Namesto baterije je novi koncept nekakšna gorivna celica, ki je podobna bateriji, vendar jo je mogoče hitro napolniti z gorivom in ne ponovno napolniti. V tem primeru je gorivo tekoči kovinski natrij, ki je poceni in široko dostopna dobrina. Na drugi strani celice je navaden zrak, ki je vir kisikovih atomov. Vmes je plast trdnega keramičnega materiala, ki služi kot elektrolit in omogoča prosto prehajanje natrijevih ionov, porozna elektroda, obrnjena proti zraku, pa pomaga natriju kemično reagirati s kisikom in proizvajati elektriko.
V seriji poskusov s prototipno napravo so raziskovalci dokazali, da lahko ta celica na enoto teže prenaša več kot trikrat več energije kot litij-ionske baterije, ki se danes uporabljajo v skoraj vseh električnih vozilih. Njihove ugotovitve so objavljene v reviji Joule [1] v članku, ki so ga napisali doktorski študenti MIT Karen Sugano, Sunil Mair in Saahir Ganti-Agrawal, profesor znanosti in inženirstva materialov Yet-Ming Chiang in pet drugih.
„Pričakujemo, da bodo ljudje mislili, da je to popolnoma nora zamisel,“ pravi Chiang, ki je profesor keramike Kyocera. „Če se ne bi, bi bil nekoliko razočaran, saj če se ljudem sprva nekaj ne zdi popolnoma noro, verjetno ne bo tako revolucionarno.“
In ta tehnologija se zdi, da bi lahko bila precej revolucionarna, je prepričan. Zlasti v letalstvu, kjer je teža še posebej pomembna, bi lahko takšno izboljšanje gostote energije pomenilo prelomnico, ki bi končno omogočila praktično letenje na električni pogon v velikem obsegu.
„Prag, ki ga resnično potrebujemo za realno električno letalstvo, je približno 1000 vatnih ur na kilogram,“ pravi Chiang. Današnje litij-ionske baterije za električna vozila imajo največjo energijsko gostoto približno 300 vatnih ur na kilogram, kar je daleč od potrebnega. Tudi 1000 vatnih ur na kilogram ne bi bilo dovolj za transkontinentalne ali čezatlantske lete.
To je še vedno nedosegljivo za vse znane kemijske baterije, vendar Chiang pravi, da bi doseganje 1000 vatov na kilogram pomenilo tehnologijo, ki bi omogočila regionalno električno letalstvo, ki predstavlja približno 80 odstotkov domačih letov in 30 odstotkov emisij iz letalstva.
Tehnologija bi lahko bila koristna tudi za druge sektorje, vključno s pomorskim in železniškim prometom. „Vsi ti sistemi zahtevajo zelo visoko gostoto energije in nizke stroške,“ pravi. „In to nas je pritegnilo k natrijevim kovinam.“
V zadnjih treh desetletjih je bilo v razvoj litij-zrak ali natrij-zrak baterij vloženih veliko raziskav, vendar jih je bilo težko popolnoma ponovno napolniti. „Ljudje se že zelo dolgo zavedajo gostote energije, ki bi jo lahko dosegli z baterijami kovina-zrak, in to je bilo izjemno privlačno, vendar se to v praksi nikoli ni uresničilo,“ pravi Chiang.
Z uporabo istega osnovnega elektrokemijskega koncepta, le da je namesto baterije uporabljena gorivna celica, so raziskovalci lahko v praktični obliki izkoristili prednosti visoke gostote energije. Za razliko od baterije, katere materiali so enkrat sestavljeni in zaprti v posodo, se pri gorivni celici materiali, ki prenašajo energijo, uporabljajo vedno znova.
Ekipa je izdelala dve različici prototipa sistema v laboratorijskem merilu. V eni, imenovani H-celica, sta dve navpični stekleni cevi povezani s cevjo na sredini, ki vsebuje trdni keramični elektrolit in porozno zračno elektrodo. Tekoči kovinski natrij napolni cev na eni strani, skozi drugo pa teče zrak, ki zagotavlja kisik za elektrokemijsko reakcijo v sredini, ki se konča s postopno porabo natrijevega goriva. Drugi prototip uporablja vodoravno zasnovo, pri kateri je tekoče natrijevo gorivo na pladnju iz elektrolitskega materiala. Na dno pladnja je pritrjena porozna zračna elektroda, ki pospešuje reakcijo.
Pri preskusih s tokom zraka s skrbno nadzorovano ravnjo vlažnosti je bila na ravni posameznega „dimnika“ dosežena raven več kot 1500 vatnih ur na kilogram, kar pomeni več kot 1000 vatnih ur na ravni celotnega sistema, pravi Chiang.
Raziskovalci predvidevajo, da bi za uporabo tega sistema v letalu v gorivne celice vstavili gorivne pakete, ki bi vsebovali kupe celic, kot so stojala s pladnji za hrano v menzi; natrijeva kovina v teh paketih bi se kemično preoblikovala, ko bi zagotavljala energijo. Pri tem se izloča tok stranskega kemičnega produkta, ki bi se pri letalih izločal skozi zadnji del letala, podobno kot izpušni plini reaktivnega motorja.
Vendar je tu zelo velika razlika: Pri tem ne bi bilo emisij ogljikovega dioksida. Namesto tega bi emisije, sestavljene iz natrijevega oksida, dejansko vsrkale ogljikov dioksid iz ozračja. Ta spojina bi se hitro združila z vlago v zraku in tvorila natrijev hidroksid – snov, ki se pogosto uporablja kot čistilo za odtoke -, ki se z ogljikovim dioksidom hitro združi v trdno snov, natrijev karbonat, ki tvori natrijev bikarbonat, znan tudi kot soda bikarbona.
„Ko začnete z natrijevimi kovinami, pride do naravne kaskade reakcij,“ pravi Chiang. “Vse je spontano. Ničesar nam ni treba storiti, da se to zgodi, samo letalo moramo upravljati.”
Če končni izdelek, natrijev bikarbonat, konča v oceanu, bi lahko pomagal razkisati vodo in tako preprečil še enega od škodljivih učinkov toplogrednih plinov.
Uporaba natrijevega hidroksida za zajemanje ogljikovega dioksida je bila predlagana kot način za zmanjšanje emisij ogljikovega dioksida, vendar sama po sebi ni ekonomska rešitev, saj je spojina predraga. „Tukaj pa je stranski produkt,“ pojasnjuje Chiang, “zato je v bistvu brezplačen in brez stroškov prinaša koristi za okolje.
Pomembno je, da je nova gorivna celica po svoji naravi varnejša od številnih drugih baterij, pravi. Natrijeva kovina je izjemno reaktivna in jo je treba dobro zaščititi. Podobno kot pri litijevih baterijah se lahko natrij spontano vžge, če je izpostavljen vlagi. „Kadarkoli imate baterijo z zelo visoko gostoto energije, je varnost vedno zaskrbljujoča, saj lahko v primeru pretrganja membrane, ki ločuje dve reaktivni snovi, pride do nenadzorovane reakcije,“ pravi Chiang. Toda v tej gorivni celici je na eni strani samo zrak, “ki je razredčen in omejen. Tako nimate dveh koncentriranih reaktantov tik drug ob drugem. Če si prizadevate za res veliko, res veliko gostoto energije, bi iz varnostnih razlogov raje imeli gorivno celico kot baterijo.”
Čeprav naprava zaenkrat obstaja le kot majhen prototip z eno celico, Chiang pravi, da bi moral biti sistem precej enostaven za povečanje na praktične velikosti za komercializacijo. Člani raziskovalne skupine so že ustanovili podjetje Propel Aero za razvoj tehnologije. Podjetje se trenutno nahaja v MIT-ovem inkubatorju za zagonska podjetja The Engine [2].
Proizvodnja zadostnih količin natrijeve kovine za široko in celovito globalno uporabo te tehnologije bi morala biti praktična, saj je bil ta material v velikem obsegu proizveden že prej. V času, ko je bil svinčeni bencin običajen, preden so ga postopoma ukinili, se je natrijeva kovina uporabljala za proizvodnjo tetraetil svinca, ki se je uporabljal kot dodatek, in se je v ZDA proizvajala v količini 200.000 ton na leto. „To nas spominja, da so nekoč natrijev kovinski svinec proizvajali v velikem obsegu ter varno ravnali z njim in ga distribuirali po ZDA,“ pravi Chiang.
Poleg tega natrij izvira predvsem iz natrijevega klorida ali soli, zato ga je v nasprotju z litijem in drugimi materiali, ki se uporabljajo v današnjih baterijah za električna vozila, veliko, je razširjen po vsem svetu in se zlahka pridobiva.
Sistem, ki ga predvidevajo, bi uporabljal kartušo za ponovno polnjenje, ki bi jo napolnili s tekočo natrijevo kovino in zapečatili. Ko bi se izpraznila, bi jo vrnili v polnilno postajo in napolnili s svežim natrijem. Natrij se topi pri 98 stopinjah Celzija, kar je tik pod vreliščem vode, zato ga je za polnjenje kartuš enostavno segreti do tališča.
Sprva nameravajo izdelati gorivno celico v velikosti opeke, ki lahko zagotavlja približno 1000 vatnih ur energije, kar zadostuje za pogon velikega brezpilotnega letala, da bi koncept dokazali v praktični obliki, ki bi jo lahko uporabili na primer v kmetijstvu. Ekipa upa, da bo takšna demonstracija pripravljena v naslednjem letu.
Sugano, ki je večino eksperimentalnega dela opravila v okviru svoje doktorske disertacije in bo zdaj delala v zagonskem podjetju pravi, da je bilo ključno spoznanje, kako pomembna je vlaga v procesu. Ko je napravo preizkušala s čistim kisikom in nato še z zrakom, je ugotovila, da je količina vlage v zraku ključnega pomena za učinkovitost elektrokemične reakcije. V vlažnem zraku je natrij proizvajal svoje produkte praznjenja v tekoči in ne v trdni obliki, zato jih je bilo veliko lažje odstraniti s pretokom zraka skozi sistem. „Ključno je bilo, da smo lahko ustvarili tekoči produkt izpusta in ga zlahka odstranili, v nasprotju s trdnim izpustom, ki bi nastal v suhih razmerah,“ pravi.
Ganti-Agrawal opozarja, da je ekipa črpala iz različnih inženirskih podpodročij. Na primer, veliko je bilo raziskav o visokotemperaturnem natriju, vendar nobene s sistemom z nadzorovano vlažnostjo. „Pri oblikovanju naše elektrode smo črpali iz raziskav gorivnih celic, starejših raziskav visokotemperaturnih baterij in nekaterih nastajajočih raziskav baterij natrij-zrak ter jih nekako združili,“ kar je pripeljalo do „velikega povečanja učinkovitosti“, ki ga je ekipa dosegla, pravi.
V raziskovalni skupini so sodelovali tudi Alden Friesen, poletni praktikant MIT, ki obiskuje srednjo šolo Desert Mountain v Scottsdalu v Arizoni, Kailash Raman in William Woodford iz podjetja Form Energy iz Somervilla v Massachusettsu, Shashank Sripad iz podjetja And Battery Aero v Kaliforniji in Venkatasubramanian Viswanathan z Univerze v Michiganu. Delo so podprli ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures in Nacionalna znanstvena fundacija, pri delu pa so bile uporabljene naprave v MIT.nano.
Viri:
1: https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(25)00143-6
2: https://engine.xyz/
Povzeto po:
https://news.mit.edu/2025/new-fuel-cell-could-enable-electric-aviation-0527
