Nová palivová článková technologie by mohla umožnit elektrické letectví

Baterie se blíží svým limitům v oblasti ukládání energie vzhledem k jejich hmotnosti. To představuje vážnou překážku pro energetické inovace a hledání nových způsobů pohonu letadel, vlaků a lodí. Nyní výzkumníci z MIT a dalších institucí přišli s řešením, které by mohlo pomoci elektrifikovat tyto dopravní systémy.

Místo baterie je novým konceptem palivový článek – podobný baterii, ale s možností rychlého doplnění paliva namísto dobíjení. V tomto případě je palivem tekutý sodík, levná a široce dostupná surovina. Druhou stranou článku je obyčejný vzduch, který slouží jako zdroj atomů kyslíku. Mezi nimi je vrstva pevného keramického materiálu, který slouží jako elektrolyt a umožňuje volný průchod sodíkových iontů, a porézní elektroda orientovaná k vzduchu pomáhá sodíku chemicky reagovat s kyslíkem a produkovat elektřinu.

V sérii experimentů s prototypovým zařízením výzkumníci prokázali, že tento článek může nést více než trojnásobné množství energie na jednotku hmotnosti ve srovnání s lithium-iontovými bateriemi používanými v téměř všech dnešních elektromobilech. Jejich zjištění jsou publikována v časopise Joule v článku, na kterém se podíleli doktorandi MIT Karen Sugano, Sunil Mair a Saahir Ganti-Agrawal; profesor materiálových věd a inženýrství Yet-Ming Chiang a pět dalších.

„Očekáváme, že si lidé pomyslí, že je to zcela šílený nápad,“ říká Chiang, který je profesorem keramiky Kyocera. „Kdyby si to nemysleli, byl bych trochu zklamaný, protože pokud si lidé myslí, že něco není zpočátku zcela šílené, pravděpodobně to nebude tak revoluční.“

A tato technologie se zdá být docela revoluční, naznačuje. Zejména pro letectví, kde je hmotnost obzvláště důležitá, by takové zlepšení hustoty energie mohlo být průlomem, který konečně učiní elektrický let praktickým ve významném měřítku.

„Hranice, kterou skutečně potřebujete pro realistické elektrické letectví, je asi 1 000 watthodin na kilogram,“ říká Chiang. Dnešní lithium-iontové baterie elektromobilů dosahují maxima kolem 300 watthodin na kilogram – což zdaleka nestačí. I s 1 000 watthodinami na kilogram by to podle něj nestačilo na transkontinentální nebo transatlantické lety.

To je stále mimo dosah pro jakoukoli známou bateriovou chemii, ale Chiang říká, že dosažení 1 000 wattů na kilogram by bylo umožňující technologií pro regionální elektrické letectví, které představuje asi 80 procent domácích letů a 30 procent emisí z letectví.

Technologie by mohla být přínosem i pro jiné sektory, včetně námořní a železniční dopravy. „Všechny vyžadují velmi vysokou hustotu energie a všechny vyžadují nízké náklady,“ říká. „A to nás přitahovalo k kovovému sodíku.“

V posledních třech desetiletích se věnovalo mnoho výzkumu vývoji lithium-vzduchových nebo sodík-vzduchových baterií, ale jejich plné dobíjení bylo obtížné. „Lidé si uvědomují hustotu energie, které byste mohli dosáhnout s kovově-vzduchovými bateriemi již velmi dlouho, a bylo to nesmírně atraktivní, ale v praxi se to nikdy nepodařilo realizovat,“ říká Chiang.

Použitím stejného základního elektrochemického konceptu, pouze vytvořením palivového článku místo baterie, se výzkumníkům podařilo získat výhody vysoké hustoty energie v praktické podobě. Na rozdíl od baterie, jejíž materiály jsou sestaveny jednou a uzavřeny v nádobě, u palivového článku se materiály nesoucí energii dostávají dovnitř a ven.

Tým vyrobil dvě různé verze laboratorního prototypu systému. V jednom, nazývaném H-článek, jsou dvě vertikální skleněné trubice spojeny trubicí uprostřed, která obsahuje pevný keramický elektrolytický materiál a porézní vzduchovou elektrodu. Tekutý sodík plní trubici na jedné straně a vzduch protéká druhou stranou, čímž poskytuje kyslík pro elektrochemickou reakci uprostřed, která postupně spotřebovává sodíkové palivo. Druhý prototyp používá horizontální design s vaničkou elektrolytického materiálu, která drží tekuté sodíkové palivo. Porézní vzduchová elektroda, která usnadňuje reakci, je připevněna ke dnu vaničky.

Testy s proudem vzduchu s pečlivě kontrolovanou úrovní vlhkosti produkovaly úroveň více než 1 500 watthodin na kilogram na úrovni jednotlivých „zásobníků“, což by se na úrovni celého systému přeložilo na více než 1 000 watthodin, říká Chiang.

Výzkumníci si představují, že pro použití tohoto systému v letadle by se palivové články plné sodíku vkládaly do palivových článků; sodík uvnitř těchto zásobníků se chemicky transformuje, když poskytuje energii. Proud jeho chemického vedlejšího produktu se uvolňuje, a v případě letadel by se vypouštěl vzad, podobně jako výfuk z proudového motoru.

Ale existuje velký rozdíl: Nebyly by žádné emise oxidu uhličitého. Místo toho by emise, skládající se z oxidu sodného, ​​ve skutečnosti absorbovaly oxid uhličitý z atmosféry. Tato sloučenina by se rychle spojila s vlhkostí ve vzduchu za vzniku hydroxidu sodného – materiálu běžně používaného jako čistič odpadu – který se snadno spojuje s oxidem uhličitým za vzniku pevné látky, uhličitanu sodného, ​​který se zase mění na hydrogenuhličitan sodný, jinak známý jako jedlá soda.

„Existuje tato přirozená kaskáda reakcí, ke kterým dochází, když začnete s kovovým sodíkem,“ říká Chiang. „Je to všechno spontánní. Nemusíme dělat nic, aby se to stalo, stačí letět s letadlem.“

Jako další výhoda, pokud se konečný produkt, hydrogenuhličitan sodný, dostane do oceánu, může pomoci deacidifikovat vodu a bojovat tak proti dalšímu škodlivému účinku skleníkových plynů.

Použití hydroxidu sodného k zachycování oxidu uhličitého bylo navrženo jako způsob zmírnění emisí uhlíku, ale samo o sobě to není ekonomické řešení, protože sloučenina je příliš drahá. „Ale zde je to vedlejší produkt,“ vysvětluje Chiang, takže je to v podstatě zdarma, čímž se vytvářejí environmentální výhody bez nákladů.

Důležité je, že nový palivový článek je ze své podstaty bezpečnější než mnoho dalších baterií, říká. Kovový sodík je extrémně reaktivní a musí být dobře chráněn. Stejně jako u lithiových baterií se sodík může spontánně vznítit, pokud je vystaven vlhkosti. „Kdykoli máte baterii s velmi vysokou hustotou energie, bezpečnost je vždy otázkou, protože pokud dojde k prasknutí membrány, která odděluje dva reaktanty, může dojít k nekontrolované reakci,“ říká Chiang. Ale v tomto palivovém článku je jedna strana jen vzduch, „který je zředěný a omezený. Nemáte tedy dva koncentrované reaktanty hned vedle sebe. Pokud usilujete o opravdu vysokou hustotu energie, raději byste měli palivový článek než baterii z bezpečnostních důvodů.“

Ačkoli zařízení zatím existuje pouze jako malý prototyp s jednou buňkou, Chiang říká, že systém by měl být poměrně snadno škálovatelný na praktické velikosti pro komercializaci. Členové výzkumného týmu již založili společnost Propel Aero, která bude tuto technologii vyvíjet. Společnost se v současné době nachází v inkubátoru start-upů MIT, The Engine.

Výroba dostatečného množství kovového sodíku pro umožnění širokého, plně rozsáhlého globálního uplatnění této technologie by měla být praktická, protože materiál se již dříve vyráběl ve velkém měřítku. Když byl standardem olovnatý benzín, před jeho postupným vyřazením z používání, se kovový sodík používal k výrobě tetraethyl-olova používaného jako přísada a v USA se vyráběl s kapacitou 200 000 tun ročně. „Připomíná nám to, že kovový sodík se kdysi vyráběl ve velkém měřítku a bezpečně se s ním zacházelo a distribuoval se po USA,“ říká Chiang.

Navíc sodík primárně pochází z chloridu sodného, ​​nebo soli, takže je hojný, široce rozšířený po celém světě a snadno se těží, na rozdíl od lithia a dalších materiálů používaných v dnešních bateriích EV.

Systém, který si představují, by používal dobíjecí kazetu, která by byla naplněna tekutým kovovým sodíkem a utěsněna. Když se vybije, bude vrácena na doplnění paliva a naplněna čerstvým sodíkem. Sodík taje při 98 stupních Celsia, těsně pod bodem varu vody, takže je snadné ho zahřát na bod tání pro doplnění kazet.

Zpočátku je plánováno vyrobit palivový článek o velikosti cihly, který dokáže dodat asi 1 000 watthodin energie, což stačí k napájení velkého dronu, aby se koncept prokázal v praktické formě, která by se mohla například používat v zemědělství. Tým doufá, že takovou ukázku bude mít připravenou do příštího roku.

Sugano, která prováděla většinu experimentální práce jako součást své doktorské práce a nyní bude pracovat v start-upu, říká, že klíčovým poznatkem byl význam vlhkosti v procesu. Když testovala zařízení s čistým kyslíkem a poté se vzduchem, zjistila, že množství vlhkosti ve vzduchu je klíčové pro efektivní elektrochemickou reakci. Vlhký vzduch vedl k tomu, že sodík produkoval své výbojové produkty v tekuté, nikoli pevné formě, což usnadňovalo jejich odstraňování proudem vzduchu systémem. „Klíčem bylo, že můžeme vytvořit tento tekutý výbojový produkt a snadno jej odstranit, na rozdíl od pevného výboje, který by se tvořil za suchých podmínek,“ říká.

Ganti-Agrawal poznamenává, že tým čerpal z různých inženýrských suboborů. Například existuje mnoho výzkumů o vysokoteplotním sodíku, ale žádný se systémem s řízenou vlhkostí. „Čerpáme z výzkumu palivových článků, pokud jde o návrh naší elektrody, čerpáme i ze staršího výzkumu vysokoteplotních baterií, jakož i z některých raných výzkumů sodíkově-vzduchových baterií, a jaksi to všechno smícháme dohromady,“ což vedlo k „velkému zvýšení výkonu“, kterého tým dosáhl, říká.

Výzkumný tým zahrnoval také Aldena Friesena, letního stážistu MIT, který navštěvuje Desert Mountain High School ve Scottsdale v Arizoně; Kailash Raman a William Woodford z Form Energy v Somerville v Massachusetts; Shashank Sripad z And Battery Aero v Kalifornii a Venkatasubramanian Viswanathan z University of Michigan. Práce byla podpořena ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures a National Science Foundation a používala zařízení v MIT.nano.