Enerģētikas ir noticis līdz šim maz pamanīts, taču patiesi revolucionārs pavērsiens. Zinātniekiem izdevies izveidot pilnīgi jauna tipa uzlādējamu akumulatoru, kura pamatā nav litijs, bet gan ūdeņraža joni.
Pirmo reizi šāda tehnoloģija veiksmīgi darbojas istabas temperatūrā, neprasa ārkārtējus apstākļus un tai ir potenciāls būtiski mainīt veidu, kā cilvēce uzkrāj un izmanto enerģiju. Līdz šim ūdeņraža jonu pārvietošanos caur cietu materiālu uzskatīja gandrīz par tikpat sarežģītu uzdevumu kā lēcienu uz Mēnesi.
Lai to panāktu, agrāk bija nepieciešamas ļoti augstas temperatūras un sarežģīti apstākļi, tāpēc iepriekšējie eksperimenti neizgāja ārpus laboratorijām. Tagad Daliaņas ķīmiskās fizikas institūta komanda Ping Čena vadībā ir prezentējusi jaunu prototipu, kas pierāda – pārmaiņas ir iespējamas arī pilnīgi parastos, „zemes” apstākļos, bez milzīgām temperatūras svārstībām un sarežģītām dzesēšanas sistēmām.
Jums varētu patikt šie:
Kā darbojas ūdeņraža akumulators
Akumulatora centrā ir pilnīgi jauns kompozītais elektrolīts, ko zinātnieki izveidojuši, izmantojot bārija un cērija hidrīdus. Cērija hidrīds nodrošina ūdeņraža joniem ļoti ātru kustību, savukārt bārija kārtas sniedz stabilitāti un aizsardzību pret nevēlamām reakcijām. Šī kombinācija ļauj ūdeņraža joniem pārvietoties caur cieto materiālu gandrīz tikpat viegli kā šķidrumā, lai gan pats akumulators ir pilnībā ciets.
Galvenais izaicinājums līdz šim bija apvienot kustības ātrumu un stabilitāti, taču šoreiz izdevies pārvarēt arī šo barjeru. Rezultāts ir pirmais ūdeņraža akumulators, kas spēj darboties istabas temperatūrā ne tikai teorētiski, bet arī praksē – ar pilnvērtīgiem uzlādes un izlādes cikliem.
Atšķirības no litija akumulatoriem
Litija akumulatori šobrīd dominē tirgū, taču tiem ir virkne trūkumu. Viens no nopietnākajiem ir dendriti – asas litija struktūras, kas veidojas uzlādes laikā un var izraisīt īssavienojumu vai pat aizdegšanos. Turklāt litija akumulatoros bieži izmanto uzliesmojošus šķidros elektrolītus, kas vēl vairāk palielina risku.
Ūdeņraža akumulatoros šādas problēmas pēc būtības ir izslēgtas. Tajos netiek izmantoti šķidri elektrolīti, un pats ūdeņraža jons ir mazs, ļoti kustīgs un neveido bīstamas struktūras, kā tas iespējams litijam.
Turklāt šāds risinājums teorētiski varētu izrādīties arī lētāks – ūdeņradis ir viens no visizplatītākajiem elementiem Visumā, un izmantotie metāli nav tik dārgi kā litija vai kobalta savienojumi, kas tiek plaši lietoti mūsdienu augstākās klases akumulatoros.
Jums varētu patikt šie:
Līdzšinējie rezultāti
Prototips darbojas ar anodu no cērija hidrīda un katodu no nātrija alanāta, kas jau iepriekš ticis izmantots ūdeņraža uzglabāšanas pētījumos. Pirmā uzlādes–izlādes cikla laikā sasniegta 984 mAh/g ietilpība, kas pēc 20 cikliem stabilizējusies apmēram 402 mAh/g līmenī.
Lai gan šie rādītāji vēl nav izcili, pats svarīgākais ir tas, ka uzlādes un izlādes cikli darbos droši un atkārtojami. Tas nozīmē, ka tehnoloģija vairs nav tikai teorētiska koncepcija, bet gan reāli funkcionējoša sistēma.
Rezultāti apliecina, ka ūdeņraža joni var būt stabili un efektīvi lādiņa pārnēsātāji. Ja izdosies palielināt gan enerģijas blīvumu, gan izmantojamo ciklu skaitu, nākotnē ūdeņraža akumulatori varētu konkurēt ar litija akumulatoriem gan energoietilpības, gan ilgmūžības ziņā.
Priekšā stāvošie izaicinājumi
Lielākais tehniskais uzdevums ir paaugstināt akumulatora spriegumu līdz vairāk nekā 2 voltiem, vienlaikus saglabājot stabilitāti un ilgu kalpošanas laiku. Pašlaik prototips spēj iedegt LED lampiņu ar aptuveni 1,9 V spriegumu, taču lielākajai daļai ierīču nepieciešams vairāk.
Tāpat ir nepieciešams palielināt lietderīgo ciklu skaitu no dažiem desmitiem līdz vairākiem tūkstošiem – tikai tad varēs runāt par praktisku risinājumu ikdienas lietošanai. Tas prasa izmantoto materiālu pilnveidi un labāku aizsardzību pret degradācijas procesiem.
Nozīmīgs jautājums ir arī ražošanas mērogošana. Pašlaik viss notiek laboratorijas apstākļos, taču masveida ražošana prasīs laiku, resursus un jaunus tehniskos risinājumus. Tomēr zinātnieki ir optimistiski – vissarežģītākā daļa, proti, efektīva un stabila ūdeņraža jonu kustība istabas temperatūrā, jau ir atrisināta. Tālākā attīstība ir saistīta “tikai” ar tehnoloģijas uzlabošanu un pielāgošanu rūpnieciskam mērogam.
