Onderzoekers van de RMIT University in Melbourne, Australië heeft voor het eerst een werkende oplaadbare "protonbatterij" gedemonstreerd die de manier waarop we onze huizen van stroom kunnen voorzien, kan herbekabelen. voertuigen en apparaten.

De oplaadbare batterij is milieuvriendelijk, en heeft de potentie met verdere ontwikkeling, om meer energie op te slaan dan de momenteel beschikbare lithium-ionbatterijen.

Mogelijke toepassingen voor de protonbatterij zijn onder meer huishoudelijke opslag van elektriciteit uit fotovoltaïsche zonnepanelen, zoals momenteel wordt gedaan door de Tesla 'Power wall' met lithium-ionbatterijen.

Met enkele aanpassingen en schaalvergroting, protonbatterijtechnologie kan ook worden gebruikt voor middelgrote opslag op elektriciteitsnetten - zoals de gigantische lithiumbatterij in Zuid-Australië - en voor het aandrijven van elektrische voertuigen.

Het werkende prototype protonbatterij gebruikt een koolstofelektrode als waterstofopslag, gekoppeld aan een omkeerbare brandstofcel om elektriciteit te produceren.

Het is de koolstofelektrode plus protonen uit water die de protonbatterij zijn omgeving geven, energie en potentiële economische voorsprong, zegt hoofdonderzoeker professor John Andrews.

"Onze laatste vooruitgang is een cruciale stap naar goedkope, duurzame protonbatterijen die kunnen helpen in onze toekomstige energiebehoeften te voorzien zonder ons toch al kwetsbare milieu verder te beschadigen, ' zei Andries.

"Terwijl de wereld op weg is naar inherent variabele hernieuwbare energie om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen en de klimaatverandering aan te pakken, de vereisten voor de opslag van elektrische energie zullen gigantisch zijn.

"De protonbatterij is een van de vele potentiële bijdragers om aan deze enorme vraag naar energieopslag te voldoen. Batterijen met protonen van stroom voorzien, kan zuiniger zijn dan het gebruik van lithiumionen, die zijn gemaakt van angstaanjagende bronnen.

"Koolstof, wat de primaire hulpbron is die wordt gebruikt in onze protonbatterij, is overvloedig en goedkoop in vergelijking met beide metalen waterstofopslaglegeringen, en het lithium dat nodig is voor oplaadbare lithium-ionbatterijen."

Tijdens het opladen, de koolstof in de elektrode bindt zich met protonen die worden gegenereerd door water te splitsen met behulp van elektronen uit de voeding. De protonen komen weer vrij en gaan terug door de omkeerbare brandstofcel om water te vormen met zuurstof uit lucht om energie op te wekken. In tegenstelling tot fossiele brandstoffen, de koolstof verbrandt niet en veroorzaakt geen emissies tijdens het proces.

De experimenten van de onderzoekers toonden aan dat hun kleine protonenbatterij, met een actief binnenoppervlak van slechts 5,5 vierkante centimeter, was al in staat om per massa-eenheid evenveel energie op te slaan als in de handel verkrijgbare lithium-ionbatterijen. Dit was voordat de batterij was geoptimaliseerd.

"Toekomstig werk zal zich nu richten op het verder verbeteren van de prestaties en energiedichtheid door het gebruik van atomair dunne gelaagde op koolstof gebaseerde materialen zoals grafeen, met het doel van een protonbatterij die echt concurrerend is met lithium-ionbatterijen stevig in zicht, ' zei Andries.

Het onderzoek van RMIT naar de protonbatterij is gedeeltelijk gefinancierd door de Australian Defence Science and Technology Group en het Amerikaanse Office of Naval Research Global.

Hoe de protonbatterij werkt

Het werkende prototype protonbatterij combineert de beste aspecten van waterstofbrandstofcellen en op batterijen gebaseerde elektrische stroom.

De nieuwste versie combineert een koolstofelektrode voor opslag van waterstof in vaste toestand met een omkeerbare brandstofcel om een ​​geïntegreerde oplaadbare eenheid te vormen.

Het succesvolle gebruik van een elektrode gemaakt van actieve kool in een protonenbatterij is een belangrijke stap voorwaarts en wordt gerapporteerd in de Internationaal tijdschrift voor waterstofenergie .

Tijdens het opladen, protonen geproduceerd door watersplitsing in een omkeerbare brandstofcel worden door het celmembraan geleid en verbinden zich direct met het opslagmateriaal met behulp van elektronen geleverd door de aangelegde spanning, zonder waterstofgas te vormen.

In de elektriciteitsvoorzieningsmodus is dit proces omgekeerd; waterstofatomen komen vrij uit de opslag en verliezen een elektron om weer protonen te worden. Deze protonen gaan vervolgens terug door het celmembraan waar ze zich combineren met zuurstof en elektronen uit het externe circuit om water opnieuw te vormen.

Een groot potentieel voordeel van de protonbatterij is een veel hogere energie-efficiëntie dan conventionele waterstofsystemen, waardoor het vergelijkbaar is met lithium-ionbatterijen. De verliezen die gepaard gaan met de ontwikkeling van waterstofgas en de splitsing in protonen worden geëlimineerd.

Enkele jaren geleden toonde het RMIT-team aan dat een protonbatterij met een elektrode van een metaallegering voor het opslaan van waterstof zou kunnen werken, maar de omkeerbaarheid en oplaadbaarheid was te laag. Ook bevatte de gebruikte legering zeldzame aardelementen, en was dus zwaar en kostbaar.

De laatste experimentele resultaten toonden aan dat een poreuze actieve-koolelektrode gemaakt van fenolhars ongeveer 1 gew.% waterstof in de elektrode kon opslaan. Dit is een energie per massa-eenheid die al vergelijkbaar is met in de handel verkrijgbare lithium-ionbatterijen, ook al is de protonbatterij verre van geoptimaliseerd. De maximale celspanning was 1,2 volt.