Transformacja energetyczna w sektorze transportu stoi przed monumentalnym wyzwaniem, szczególnie jeśli chodzi o elektryfikację ciężkich pojazdów, takich jak samoloty, pociągi i statki. Istniejące technologie akumulatorowe osiągają swoje fizyczne granice pod względem ilości energii, jaką mogą zmagazynować na jednostkę masy, co stanowi znaczącą przeszkodę dla innowacji. Jednak zespół naukowy z prestiżowego Massachusetts Institute of Technology (MIT), gdzie można również znaleźć zakwaterowanie, oraz współpracujących instytucji niedawno przedstawił koncepcję, która mogłaby fundamentalnie zmienić ten paradygmat i utorować drogę do elektryfikacji tych kluczowych systemów transportowych.

Rewolucyjne podejście do zasilania: Ogniwo paliwowe na ciekły sód

Zamiast konwencjonalnej baterii, nowe rozwiązanie opiera się na zasadzie ogniwa paliwowego – urządzenia, które, podobnie jak bateria, wytwarza energię elektryczną w wyniku reakcji chemicznej, ale z kluczową różnicą: można je szybko napełnić paliwem zamiast długotrwałego ładowania. Rdzeń tego innowacyjnego systemu stanowi ciekły metaliczny sód, tani i szeroko dostępny surowiec. Z drugiej strony ogniwa znajduje się zwykłe powietrze, które służy jako źródło atomów tlenu. Pomiędzy nimi umieszczona jest warstwa stałego materiału ceramicznego, który funkcjonuje jako elektrolit, umożliwiając swobodny przepływ jonów sodu, podczas gdy porowata elektroda skierowana w stronę powietrza ułatwia reakcję chemiczną sodu z tlenem, generując w ten sposób prąd elektryczny.

W serii eksperymentów przeprowadzonych z prototypowym urządzeniem, badacze wykazali, że ogniwo to może zmagazynować ponad trzykrotnie większą ilość energii na jednostkę masy w porównaniu z bateriami litowo-jonowymi, które dziś dominują w świecie pojazdów elektrycznych. Szczegółowe wyniki tych badań zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie naukowym Joule, w pracy podpisanej przez doktorantów z MIT Karen Sugano, Sunil Mair i Saahir Ganti-Agrawal, profesora nauk o materiałach i inżynierii Yet-Ming Chiang oraz pięciu innych współpracowników.

Profesor Chiang, który nosi tytuł Kyocera Professor of Ceramics, skomentował potencjalne postrzeganie ich pracy: „Oczekujemy, że ludzie pomyślą, że to całkowicie szalony pomysł. Gdyby tak nie było, byłbym trochę rozczarowany, ponieważ jeśli ludzie na początku nie myślą, że coś jest całkowicie szalone, prawdopodobnie nie będzie to aż tak rewolucyjne.” Właśnie ten rewolucyjny potencjał sprawia, że ta technologia jest niezwykle obiecująca.

Nowa nadzieja для lotnictwa elektrycznego

Szczególnie w lotnictwie, gdzie masa jest czynnikiem krytycznym, taka poprawa gęstości energii mogłaby stanowić punkt zwrotny, który ostatecznie umożliwi praktyczne zastosowanie napędu elektrycznego na znaczną skalę. „Próg, który jest naprawdę potrzebny dla realistycznego lotnictwa elektrycznego, wynosi około 1000 watogodzin na kilogram (Wh/kg)”, wyjaśnia Chiang. Dzisiejsze baterie litowo-jonowe do pojazdów elektrycznych osiągają maksymalnie około 300 Wh/kg, co jest dalekie od potrzeb. Nawet przy 1000 Wh/kg, zauważa, nie wystarczyłoby to na loty transkontynentalne lub transatlantyckie.

Chociaż cel ten jest wciąż poza zasięgiem jakiejkolwiek znanej chemii akumulatorowej, Chiang podkreśla, że osiągnięcie 1000 Wh/kg stanowiłoby technologię umożliwiającą regionalne lotnictwo elektryczne. Takie loty stanowią około 80 procent lotów krajowych i odpowiadają za około 30 procent emisji z lotnictwa. Elektryfikacja tego segmentu miałaby zatem znaczący pozytywny wpływ na środowisko.

Technologia ta mogłaby być motorem postępu również w innych sektorach, w tym w transporcie morskim i kolejowym. „Wszystkie one wymagają bardzo wysokiej gęstości energii i niskich kosztów”, mówi Chiang. „A właśnie to przyciągnęło nas do metalicznego sodu.”

Od baterii do ogniwa paliwowego: Pokonywanie ograniczeń

W ciągu ostatnich trzech dekad włożono wiele wysiłków badawczych w rozwój baterii litowo-powietrznych lub sodowo-powietrznych, jednak okazało się trudne uczynienie ich w pełni ładowalnymi. „Ludzie od dawna byli świadomi gęstości energii, jaką mogliby osiągnąć dzięki bateriom metalowo-powietrznym, i było to niezwykle kuszące, ale po prostu nigdy nie zostało zrealizowane w praktyce”, stwierdza Chiang.

Wykorzystując tę samą podstawową koncepcję elektrochemiczną, ale przekształcając ją w ogniwo paliwowe zamiast baterii, badaczom udało się wykorzystać zalety wysokiej gęstości energii w praktycznej formie. W przeciwieństwie do baterii, której materiały są montowane raz i zamykane w obudowie, w ogniwie paliwowym materiały przenoszące energię wchodzą do systemu i wychodzą z niego. To dynamiczne podejście umożliwia szybkie „dolewanie” paliwa, eliminując długi czas ładowania związany z bateriami.

Zespół wyprodukował dwie różne wersje laboratoryjnego prototypu systemu. W jednej, nazwanej ogniwem H, dwie pionowe szklane rurki są połączone poprzeczną rurką zawierającą stały elektrolit ceramiczny i porowatą elektrodę powietrzną. Ciekły metaliczny sód wypełnia rurkę z jednej strony, podczas gdy powietrze przepływa przez drugą, dostarczając tlenu do reakcji elektrochemicznej w centrum, która stopniowo zużywa paliwo sodowe. Drugi prototyp wykorzystuje konstrukcję poziomą, z tyglem z materiału elektrolitycznego, który mieści ciekłe paliwo sodowe. Porowata elektroda powietrzna, która ułatwia reakcję, jest przymocowana do dna tygla.

Testy przeprowadzone przy użyciu strumienia powietrza o starannie kontrolowanym poziomie wilgotności wykazały poziom ponad 1500 watogodzin na kilogram na poziomie pojedynczego „stosu” ogniw, co, według słów Chianga, przełożyłoby się na ponad 1000 Wh/kg na poziomie kompletnego systemu.

Korzyści ekologiczne i wychwytywanie dwutlenku węgla

Badacze przewidują, że do użytku w samolotach do ogniw paliwowych wkładałoby się pakiety paliwowe zawierające stosy ogniw, podobnie jak tace z jedzeniem w kafeterii. Metaliczny sód w tych pakietach ulega transformacji chemicznej, dostarczając energię. Produkt uboczny tej reakcji chemicznej jest uwalniany na zewnątrz, a w przypadku samolotu byłby emitowany z tyłu, podobnie jak spaliny silnika odrzutowego.

Ale istnieje bardzo duża różnica: nie byłoby emisji dwutlenku węgla. Zamiast tego emisje, składające się z tlenku sodu, faktycznie absorbowałyby dwutlenek węgla z atmosfery. Związek ten szybko łączyłby się z wilgocią w powietrzu, tworząc wodorotlenek sodu – materiał powszechnie stosowany jako środek do czyszczenia rur – który łatwo reaguje z dwutlenkiem węgla, tworząc stały materiał, węglan sodu, który z kolei tworzy wodorowęglan sodu, lepiej znany jako soda oczyszczona.

„Istnieje ta naturalna kaskada reakcji, która zachodzi, gdy zaczynasz od metalicznego sodu”, wyjaśnia Chiang. „Wszystko jest spontaniczne. Nie musimy nic robić, żeby to się stało, musimy tylko lecieć samolotem.” Jako dodatkowa korzyść, jeśli produkt końcowy, wodorowęglan sodu, trafi do oceanu, mógłby pomóc w odkwaszaniu wody, przeciwdziałając kolejnemu szkodliwemu skutkowi gazów cieplarnianych.

Wykorzystanie wodorotlenku sodu do wychwytywania dwutlenku węgla było proponowane jako sposób na łagodzenie emisji dwutlenku węgla, ale samo w sobie nie jest to rozwiązanie ekonomiczne, ponieważ związek ten jest zbyt drogi. „Ale tutaj jest to produkt uboczny”, wyjaśnia Chiang, więc jest w zasadzie darmowy, przynosząc korzyści ekologiczne bez dodatkowych kosztów.

Bezpieczeństwo i skalowalność systemu

Ważne jest, aby zauważyć, że nowe ogniwo paliwowe jest z natury bezpieczniejsze niż wiele innych baterii, mówi Chiang. Metaliczny sód jest niezwykle reaktywny i musi być dobrze chroniony. Podobnie jak w przypadku baterii litowych, sód może samorzutnie zapalić się w kontakcie z wilgocią. „Zawsze, gdy masz baterię o bardzo wysokiej gęstości energii, bezpieczeństwo jest zawsze problemem, ponieważ jeśli dojdzie do przerwania membrany oddzielającej dwa reagenty, możesz mieć niekontrolowaną reakcję”, mówi Chiang. Ale w tym ogniwie paliwowym jedna strona to tylko powietrze, „które jest rozcieńczone i ograniczone. Więc nie masz dwóch skoncentrowanych reagentów tuż obok siebie. Jeśli dążysz do naprawdę, naprawdę wysokiej gęstości energii, ze względów bezpieczeństwa wolałbyś mieć ogniwo paliwowe niż baterię.”

Chociaż urządzenie na razie istnieje tylko jako mały prototyp z pojedynczym ogniwem, Chiang twierdzi, że system powinien być dość prosty do powiększenia do praktycznych rozmiarów w celu komercjalizacji. Członkowie zespołu badawczego założyli już firmę Propel Aero w celu rozwoju technologii. Firma mieści się obecnie w inkubatorze startupów MIT, The Engine, w Cambridge, popularnym miejscu dla odwiedzających.

Produkcja wystarczającej ilości metalicznego sodu, aby umożliwić szeroką, pełną globalną implementację tej technologii, powinna być praktyczna, ponieważ materiał ten był już wcześniej produkowany na dużą skalę. Kiedy benzyna ołowiowa była normą, zanim została stopniowo wycofana, metaliczny sód był używany do produkcji tetraetyloołowiu, który był stosowany jako dodatek, i był produkowany w USA w ilości 200 000 ton rocznie. „To przypomina nam, że metaliczny sód był kiedyś produkowany na dużą skalę i bezpiecznie nim obchodzono się i dystrybuowano na terenie całych USA”, mówi Chiang.

Co więcej, sód pochodzi głównie z chlorku sodu, czyli soli, więc jest obfity, szeroko rozpowszechniony na całym świecie i łatwy do wydobycia, w przeciwieństwie do litu i innych materiałów stosowanych w dzisiejszych bateriach do pojazdów elektrycznych. Zespół naukowców, którego praca w przeważającej mierze pochodzi z ośrodków badawczych w Massachusetts, opiera się na tej dostępności.

System ładowania i przyszłe kroki

System, który przewidują, wykorzystywałby wymienne wkłady, które byłyby napełniane ciekłym metalicznym sodem i uszczelniane. Po wyczerpaniu byłyby zwracane do stacji ładowania i ponownie napełniane świeżym sodem. Sód topi się w temperaturze 98 stopni Celsjusza, tuż poniżej temperatury wrzenia wody, więc łatwo go podgrzać do temperatury topnienia w celu napełnienia wkładów.

Początkowy plan zakłada wyprodukowanie ogniwa paliwowego wielkości cegły, które może dostarczyć około 1000 watogodzin energii, wystarczająco do zasilenia dużego drona, aby udowodnić koncepcję w praktycznej formie, która mogłaby być wykorzystana na przykład w rolnictwie. Zespół ma nadzieję, że taka demonstracja będzie gotowa w ciągu następnego roku, czyli do maja 2026 roku.

Kluczowe spostrzeżenia naukowe i praca zespołowa

Karen Sugano, która przeprowadziła większość prac eksperymentalnych w ramach swojej rozprawy doktorskiej i teraz będzie pracować w startupie Propel Aero, mówi, że kluczowym spostrzeżeniem była ważność wilgoci в procesie. Testując urządzenie czystym tlenem, a następnie powietrzem, odkryła, że ilość wilgoci w powietrzu ma kluczowe znaczenie dla wydajności reakcji elektrochemicznej. Wilgotne powietrze powodowało, że sód tworzył swoje produkty wyładowania w postaci ciekłej, a nie stałej, co znacznie ułatwiało ich usuwanie strumieniem powietrza przez system. „Kluczowe było to, że mogliśmy utworzyć ten ciekły produkt wyładowania i łatwo go usunąć, w przeciwieństwie do stałego wyładowania, które tworzyłoby się w suchych warunkach”, mówi.

Saahir Ganti-Agrawal zauważa, że zespół czerpał wiedzę z różnych poddyscyplin inżynierskich. Na przykład istnieje wiele badań nad sodem wysokotemperaturowym, ale żadne z systemem o kontrolowanej wilgotności. „Czerpiemy z badań nad ogniwami paliwowymi pod względem projektowania naszej elektrody, czerpiemy ze starszych badań nad bateriami wysokotemperaturowymi, a także z niektórych nowszych badań nad bateriami sodowo-powietrznymi, i jakoś to wszystko łączymy”, co doprowadziło do „dużego skoku wydajności”, który osiągnął zespół, mówi.

Zespół badawczy obejmował również Aldena Friesena, letniego stażystę w MIT uczęszczającego do Desert Mountain High School w Scottsdale w Arizonie; Kailasha Ramana i Williama Woodforda z firmy Form Energy w Somerville w Massachusetts; Shashanka Sripada z And Battery Aero w Kalifornii oraz Venkatasubramaniana Viswanathana z University of Michigan. Praca była wspierana przez ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures oraz National Science Foundation, a wykorzystano zaplecze MIT.nano.