Батериите наближават границите на възможностите си по отношение на това колко енергия могат да съхраняват за единица тегло. Това е сериозна пречка за енергийните иновации и търсенето на нови начини за захранване на самолети, влакове и кораби. Сега изследователи от Масачузетския технологичен институт и други учени са измислили решение, което би могло да помогне за електрифицирането на тези транспортни системи.

Вместо батерия новата концепция представлява вид горивна клетка, която е подобна на батерията, но може бързо да се презарежда с гориво. В този случай горивото е течен метален натрий – евтин и широко достъпен продукт. От другата страна на клетката е обикновен въздух, който служи като източник на кислородни атоми. Между тях слой от твърд керамичен материал служи като електролит, позволяващ на натриевите йони да преминават свободно, а порест електрод, насочен към въздуха, помага на натрия да влезе в химическа реакция с кислорода и да произведе електричество.

В поредица от експерименти с прототип на устройството изследователите демонстрират, че тази клетка може да пренася повече от три пъти повече енергия за единица тегло от литиево-йонните батерии, използвани днес в почти всички електрически превозни средства.

Откритието на екип от Масачузетския технологичен институт са публикувани наскоро в списание Joule, в статия на група докторант под ръководството на професора по материалознание и инженерство Ет-Мин Чъан (Yet-Ming Chiang).

Тази технология изглежда има потенциала да бъде доста революционна, предполага професорът. В частност, за авиацията, където теглото е от особено значение, подобно подобрение на енергийната плътност може да бъде пробивът, който най-накрая да направи полетите с електрическо задвижване практични в значителен мащаб.

„Прагът, от който наистина се нуждаем за реалистична електрическа авиация, е около 1000 ват-часа на килограм“, обяснява Чъан. Днешните литиево-йонни батерии за електрически превозни средства достигат максимална стойност от около 300 ватчаса на килограм – далеч от необходимото. Той посочва, че дори и 1000 ватчаса на килограм няма да са достатъчни за трансконтинентални или трансатлантически полети.

Това все още е недостижимо за всички познати химически батерии, но Чъан казва, че достигането на 1000 ватчаса на килограм би било технология, която ще даде възможност за развитие на регионалната електрическа авиация, на която се падат около 80 % от вътрешните полети и 30 % от емисиите от авиацията.

Технологията би могла да бъде полезна и за други сектори, включително морския и железопътния транспорт.

„Всички те изискват много висока енергийна плътност и ниска цена“, подчертава той. „И именно това ни привлече към натриевия метал.“

През последните три десетилетия в разработването на литиево-въздушни или натриево-въздушни батерии са направени много изследвания, но е трудно да се направят напълно презареждащи се.

„Хората са наясно с енергийната плътност, която може да се получи с батерии метал-въздух, от много дълго време и това е изключително привлекателно, но просто никога не е било реализирано на практика“, отбелязва Чъан.

Използвайки същата основна електрохимична концепция, само че превърната в горивна клетка вместо в батерия, изследователите успяват да получат предимствата на високата енергийна плътност в практическа форма. За разлика от батерията, чиито материали се сглобяват веднъж и се затварят в контейнер, при горивната клетка материалите, пренасящи енергия, се внасят и изваждат.

Екипът изработва две различни версии на прототип на системата в лабораторен мащаб. В едната, наречена Н-клетка, две вертикални стъклени тръби са свързани с тръба по средата, която съдържа твърд керамичен електролитен материал и порест въздушен електрод. Течен метален натрий запълва тръбата от едната страна, а през другата преминава въздух, осигуряващ кислород за електрохимичната реакция в центъра, която в крайна сметка постепенно консумира натриевото гориво. Другият прототип използва хоризонтална конструкция, като в тава с електролитен материал се държи течното натриево гориво. Порестият въздушен електрод, който улеснява реакцията, е прикрепен към дъното на тавата.

Лабораторният тест на горивната клетка. Кредит: Joule, 2025; Karen Sugano, Sunil Mair…Yet-Ming Chiang.

Тестовете, при които се използва въздушна струя с внимателно контролирано ниво на влажност, водят до ниво от близо 1700 ватчаса на килограм на нивото на отделен „стек“, което би означавало над 1000 ватчаса на нивото на цялата система, уточнява Чъан.

Изследователите предвиждат, че за да се използва тази система в самолет, в горивните клетки ще се поставят горивни пакети, съдържащи стекове от клетки, подобно на стелажите с подноси за храна в кафене; натриевият метал в тези пакети се трансформира химически, докато осигурява енергия. Отделя се поток от страничен химически продукт, който в случая на самолет се изхвърля през задната част, подобно на отработените газове от реактивен двигател.

Но има една много голяма разлика: Няма да има емисии на въглероден диоксид. Вместо това емисиите, състоящи се от натриев оксид, всъщност ще поглъщат въглеродния диоксид от атмосферата. Това съединение бързо се комбинира с влагата във въздуха, за да се получи натриев хидроксид – материал, който обикновено се използва за почистване на канали – който лесно се комбинира с въглероден диоксид, за да образува твърд материал, натриев карбонат, който на свой ред образува натриев бикарбонат, известен още като сода за хляб.

„Има естествена каскада от реакции, които се случват, когато се започне с натриев метал“, обяснява Чъан. „Всичко е спонтанно. Не е нужно да правим нищо, за да се случи, просто трябва да управляваме самолета“.

Ако крайният продукт, натриевият бикарбонат, попадне в океана, той би могъл да помогне за обезкисляването на водата, противодействайки на още един от вредните ефекти на парниковите газове.

Използването на натриев хидроксид за улавяне на въглероден диоксид е било предложено като начин за намаляване на въглеродните емисии, но само по себе си то не е икономическо решение, тъй като съединението е твърде скъпо. „Но тук то е страничен продукт“, обяснява Чъан, така че по същество е безплатно, като произвежда екологични ползи без разходи.

Важно е да се отбележи, че новата горивна клетка е по-безопасна от много други батерии, посочва професорът. Натриевият метал е изключително реактивен и трябва да бъде добре защитен. Както и при литиевите батерии, натрият може да се възпламени спонтанно, ако е изложен на влага.

„Винаги, когато има батерия с много висока енергийна плътност, безопасността винаги е проблем, защото ако има разкъсване на мембраната, която разделя двете реагентни вещества, може да се стигне до термична експлозия“, подчертава Чъан. Но в тази горивна клетка едната страна е само въздух, „който е разреден и ограничен. Така че няма два концентрирани реактива един до друг. Ако се стремим към наистина висока енергийна плътност, от съображения за безопасност бихме предпочели горивна клетка, а не батерия.“

Макар че засега устройството съществува само като малък прототип с една клетка, Чъан се надява, че системата ще може лесно да бъде мащабирана до размери, подходящи за търговска употреба. Членовете на изследователския екип вече са създали компания, Propel Aero, за разработване на технологията. Понастоящем компанията се помещава в инкубатора за стартъпи на Масачузетския технологичен институт, The Engine.

Производството на достатъчно количество натриев метал, което да позволи широкото и пълномащабно прилагане на тази технология в световен мащаб, би трябвало да е практично, тъй като материалът вече е произвеждан в големи мащаби. Когато оловният бензин бе норма, преди да бъде спрян, натриевият метал се използваше за производството на тетраетил олово, използвано като добавка, и се произвеждаше в САЩ с капацитет от 200 000 тона годишно. „Това ни напомня, че някога натриевият метал се е произвеждал в големи мащаби и е бил безопасно обработван и разпространяван в САЩ“, разказва Чъан.

Нещо повече, натрият се получава предимно от натриев хлорид или сол, така че е в изобилие, широко разпространен по света и лесно се извлича, за разлика от лития и други материали, използвани в днешните батерии за електрически превозни средства.

Предвидената от тях система ще използва касета за многократно пълнене, която ще се пълни с течен метален натрий и ще се запечатва. Когато се изтощи, тя ще се връща в станция за зареждане и ще се зарежда с пресен натрий. Натрият се топи при 98 градуса по Целзий, малко под точката на кипене на водата, така че е лесно да се нагрее до точката на топене, за да се заредят касетите.

Първоначално планът е да се произведе горивна клетка с размер на тухла, която може да доставя около 1000 ватчаса енергия, достатъчна за захранване на голям дрон, за да се докаже концепцията в практическа форма, която може да се използва например в селското стопанство. Екипът се надява такава демонстрация да бъде готова през следващата година.

Карен Сугано (Karen Sugano), която е извършила голяма част от експерименталната работа като част от докторската си дисертация и сега ще работи в стартъпа, казва, че ключов извод е бил значението на влагата в процеса. При тестването на устройството с чист кислород, а след това и с въздух, тя открива, че количеството влага във въздуха е от решаващо значение за ефективността на електрохимичната реакция. Влажният въздух е довел до това, че натрият е произвеждал продуктите на разряда в течна, а не в твърда форма, което е улеснило отстраняването им чрез въздушния поток през системата. „Основното беше, че можем да образуваме този течен разряден продукт и да го отстраним лесно, за разлика от твърдия разряд, който би се образувал в сухи условия“, обяснява тя.

Източник: New fuel cell could enable electric aviation, David L. Chandler | MIT News