Az új koncepció nem akkumulátor, hanem egyfajta üzemanyagcella – ez a technológia hasonlít ugyan az akkumulátorhoz, de újratöltés helyett gyorsan utántölthető. Ebben az esetben az „üzemanyag” folyékony nátriumfém, amely olcsó és világszerte könnyen elérhető. A cella másik oldalán a közönséges levegő szolgál oxigénforrásként, a két fél között pedig egy szilárd kerámiaelektrolit található, amelyen a nátriumionok szabadon átjutnak. A levegő felé néző porózus elektróda segíti a nátrium és az oxigén kémiai reakcióját, amelyből elektromos energia keletkezik – írja a Science Daily.
A prototípuson végzett kísérletek során a kutatók bebizonyították, hogy az új üzemanyagcella több mint háromszor annyi energiát képes tárolni súlyegységenként, mint a ma használt lítiumion-akkumulátorok. Az eredményeket a Joule tudományos folyóirat közölte, a cikk szerzői Karen Sugano, Sunil Mair és Saahir Ganti-Agrawal doktoranduszok, Yet-Ming Chiang professzor és további öt kutató.
„Arra számítottunk, hogy az emberek teljesen őrült ötletnek fogják tartani” – mondja Chiang, az MIT kerámiaanyagtudomány professzora. „Ha nem ezt gondolnák, kicsit csalódott lennék – hiszen ha valamit nem tartanak elsőre őrültségnek, az valószínűleg nem is igazán forradalmi.”
A technológia különösen az elektromos repülés területén lehet áttörő, ahol a súly kulcskérdés. Az energia-sűrűség ilyen mértékű növekedése jelentheti azt az ugrást, amely lehetővé teszi a légi közlekedés széles körű elektrifikációját.
Az amerikai MIT kutatói olyan megoldással álltak elő, amely áttörést hozhat ezeknek a rendszereknek az elektrifikációjában. (Fotó: Unsplash)
Chiang szerint a repülésben legalább 1000 wattóra/kilogramm energiasűrűség szükséges a gyakorlati alkalmazhatósághoz. A jelenlegi lítiumion-akkumulátorok csúcsa körülbelül 300 wattóra/kg, ami messze nem elegendő.
Még az 1000 wattóra/kg sem lenne elegendő a kontinenseken átnyúló járatokhoz, de regionális repülésekhez – amelyek a belföldi járatok 80%-át és az összes kibocsátás mintegy 30%-át adják – már elégséges lehet.
A fejlesztés más közlekedési szektorokban is hasznosítható lenne, például hajók vagy vonatok esetében. „Mindenütt nagy energiasűrűségre és alacsony költségre van szükség – és ez vonzott minket a nátriumhoz” – mondja.
Bár az elmúlt három évtizedben rengeteg kutatás irányult lítium-levegő vagy nátrium-levegő akkumulátorokra, ezek újratölthetősége nehezen megoldható. „Már régóta ismert, hogy ezekkel a rendszerekkel magas energiasűrűség érhető el, de a gyakorlati megvalósítás eddig elmaradt” – mondja Chiang.
A kutatócsoport az alapvető elektrokémiai elvet megőrizve, de akkumulátor helyett üzemanyagcellaként alkalmazva érte el a kívánt energiasűrűséget. Míg egy akkumulátorban a reakcióanyagokat egyszer töltik be és lezárják, egy üzemanyagcellában ezek az anyagok cserélhetők, be- és kiáramlanak.
Kétféle laboratóriumi prototípus készült. Az egyik, úgynevezett H-cellás modell függőleges üvegtubusokat köt össze egy kerámiaelektrolittal és egy porózus levegőelektródával. Az egyik oldalon folyékony nátrium található, a másikon levegő áramlik, biztosítva az oxigént a középső reakcióhoz, amely fokozatosan elhasználja a nátriumot. A másik, vízszintes elrendezésű prototípusban a kerámialemezre kerül a nátrium, az elektróda pedig a tálca aljára van rögzítve.
Szabályozott páratartalmú levegővel végzett tesztek során az egyes „cellapakettek” energiasűrűsége megközelítette az 1700 wattóra/kilogrammot – ez teljes rendszerszinten is meghaladja az 1000 wattórát.
A jövőben a kutatók olyan rendszert képzelnek el, amelyben az üzemanyagcellákba tálcás kialakítású cellapakettek kerülnek – akárcsak az étkezőkocsikban az ételtálcák –, amelyek a nátrium kémiai átalakulásán keresztül termelnek áramot. A folyamat mellékterméke a levegőbe kerülne, hasonlóan egy sugárhajtóműhöz – de jelentős különbséggel: nem bocsát ki szén-dioxidot.
Sőt, a kibocsátott nátrium-oxid megköti a légköri szén-dioxidot. Ez nedvességgel érintkezve nátrium-hidroxiddá alakul – ami a lefolyótisztítóként ismert vegyület –, amely a szén-dioxidot nátrium-karbonáttá, majd nátrium-bikarbonáttá (szódabikarbónává) alakítja.
„Ez egy természetes reakciólánc, amely automatikusan végbemegy a levegővel való érintkezés során” – mondja Chiang. „Nekünk csak annyi a dolgunk, hogy repüljünk.”
További környezeti előny, hogy ha a végtermék – a szódabikarbóna – a tengerekbe jut, csökkentheti az óceánok savasodását, enyhítve az üvegházhatás káros következményeit. A nátrium-hidroxid önmagában drága, így korábban nem számított életképes megoldásnak a légköri szén-dioxid megkötésére – de ebben az esetben a folyamat melléktermékeként, ingyen keletkezik.
Az új üzemanyagcella ráadásul biztonságosabb, mint sok jelenlegi akkumulátor. Bár a nátrium rendkívül reakcióképes, és a nedvesség hatására könnyen meggyulladhat, ez a rendszer nem tartalmaz egymás mellett két koncentrált reakcióanyagot – az egyik oldal ugyanis csak levegő. Ez növeli a biztonságot a hagyományos akkumulátorokkal szemben, különösen, ha nagy energiasűrűséget kell elérni.
Bár a rendszer jelenleg csak egyetlen cellás laboratóriumi prototípusként létezik, Chiang szerint viszonylag egyszerűen méretezhető kereskedelmi használatra. A kutatócsoport tagjai már el is indították a Propel Aero nevű céget, amely az MIT startup-inkubátorában, a The Engine-ben fejleszti tovább a technológiát.
A szükséges nátrium előállítása ipari méretekben is megvalósítható. Amikor még ólmozott benzint használtak, a nátriumfém volt a tetraetil-ólom előállításának alapanyaga – az Egyesült Államokban évi 200 000 tonnát termeltek belőle. „Ez is mutatja, hogy a nátriumot egykor nagy mennyiségben, biztonságosan gyártották és szállították” – mondja Chiang.
A nátrium alapanyaga a konyhasó (nátrium-klorid), amely világszerte bőségesen elérhető, könnyen kinyerhető, szemben a mai elektromos járművekben használt lítiummal és más ritkaföldfémekkel.
A koncepció szerint a rendszer újratölthető kazettákban működne: ezek folyékony nátriummal lennének feltöltve, majd lemerülés után visszajutnának egy töltőállomásra, ahol friss nátriumot kapnának. A nátrium olvadáspontja 98 Celsius-fok, vagyis vízforráshoz közeli – ez megkönnyíti az utántöltést.
Drónokban is alkalmazhatják a megoldást. (Fotó: Unsplash)
Első lépésként a csapat egy téglaméretű üzemanyagcellát kíván bemutatni, amely 1000 wattórányi energiát képes szolgáltatni – ez elegendő lehet például egy nagy mezőgazdasági drón működtetéséhez. A cél, hogy a prototípus egy éven belül bemutatható legyen.
Sugano, aki doktori munkájában vezette a kísérleteket, kiemelte: az egyik kulcs a rendszer hatékonyságához a levegő páratartalma volt. A párás levegő lehetővé tette, hogy a nátrium folyékony formájú mellékterméket képezzen, amit az áramló levegő könnyen eltávolított.
„A titok az volt, hogy folyékony kisülési mellékterméket tudunk képezni, amit könnyen ki lehet vezetni a rendszerből – ellentétben a száraz levegőnél képződő szilárd termékkel” – mondta.
Ganti-Agrawal hozzátette, hogy a csapat különböző mérnöki szakterületek tudását kombinálta. Korábban például sok kutatás folyt magas hőmérsékletű nátriumos rendszerekkel, de kontrollált páratartalom mellett még nem készült hasonló rendszer. „Merítettünk az üzemanyagcellák kutatásából, az akkumulátor-fejlesztésekből és a nátrium-levegő elemek kezdeti eredményeiből – ebből jött össze ez az erős teljesítménynövekedés” – fogalmazott.
A kutatásban részt vett még Alden Friesen, az MIT nyári gyakornoka, Kailash Raman és William Woodford (Form Energy, Massachusetts), Shashank Sripad (And Battery Aero, Kalifornia) és Venkatasubramanian Viswanathan (Michigan Egyetem). A munkát az ARPA-E, a Breakthrough Energy Ventures és az Amerikai Tudományos Alap támogatta, az MIT.nano létesítményeinek használatával.
Kiemelt kép forrása: Unsplash
Devenyi Dalma
