Специалисты из известного Университета RMIT (Мельбурн, Австралия) недавно разработали и изготовили первый реально функционирующий прототип перезаряжаемой протонной батареи, потенциально пригодный для обеспечения электроэнергией транспортных средств, жилых помещений и различных типов электронных устройств. Дальнейшая  оптимизация данной технологии способна продемонстрировать более высокие показатели плотности хранения энергии по сравнению с традиционными литий-ионными аккумуляторами. Кроме того, специфические характеристики протонной батареи позволяют рассматривать её как оптимальное решение для создания систем промежуточного хранения энергии, предназначенных для снижения пиковых нагрузок на энергетические сети. В прототипе протонной батареи используется электрод из углеродистого материала, который выступает в качестве своего рода хранилища водорода.

Электрод представляет собой пористую структуру из активированного углерода, полученную путем соответствующей термической и химической обработки заготовки из фенольной смолы. В настоящее время этот электрод может поглотить и хранить водород в количестве, равном 1 проценту от веса самого электрода.

Хранимый водород сжигается на поверхности самовосстанавливающегося топливного элемента, который может выступать в качестве катализатора, расщепляющего воду на кислород и водород. Когда производится процесс зарядки этой батареи, протоны (ядра водорода), получающиеся в результате расщепления молекул воды, насыщают объем углеродистого электрода и хранятся там до тех пор, пока не начнется процесс отбора энергии из батареи.

При начале отбора энергии происходит обратный процесс, попадая на поверхность топливного элемента, протоны реагируют с кислородом из атмосферы, образуя молекулы воды. В данном процессе атомы углерода не принимают никакого участия и батарея в процессе работы не выбрасывает в окружающую среду ничего вредного.

Созданный опытный образец протонной батареи имеет площадь в 5.5 квадратных сантиметров, а ее электрическая емкость пока соответствует емкости литий-ионнной аккумуляторной батареи такой же площади средней толщины. При этом, максимальное напряжение, вырабатываемое протонной батареей, составляет 1.2 Вольта.

Дальнейшая оптимизация структуры новой батареи, по мнению ее разработчиков, позволит увеличить ее емкость, а с точки зрения эффективности преобразований и хранения энергии протонная батарея и так уже превосходит все другие системы накопления и хранения энергии, в которых используется водород.

Для любознательных

Протонные батареи — перспективная технология, которая может стать альтернативой литий-ионным аккумуляторам. Она основана на использовании протонов (ионов водорода) для накопления и высвобождения энергии. Исследования в этой области активно ведутся, и хотя технология ещё не широко распространена, у неё есть потенциал для применения в различных сферах — от бытовой электроники до промышленности и транспорта.

Принцип работы

Во время зарядки вода расщепляется на кислород и водород. Протоны (ионы водорода) соединяются с электродом (например, углеродным) благодаря электронам от источника питания. При разрядке протоны высвобождаются из электрода, проходят через мембрану и соединяются с кислородом, образуя воду и генерируя электрический ток.

Преимущества

• Экологичность. Протонные батареи могут быть более экологичными по сравнению с литий-ионными, так как используют более распространённые и дешёвые материалы (например, углерод вместо лития). Углерод не горит и не вызывает выбросов в процессе работы.
• Безопасность. В отличие от литий-ионных аккумуляторов, проточные системы не содержат легковоспламеняющихся электролитов. Риск взрыва или возгорания ниже, так как газообразный водород не образуется.
• Потенциал для быстрой зарядки. Некоторые разработки предполагают возможность очень быстрой зарядки.
• Возможность использования в холодных условиях. Некоторые прототипы демонстрировали стабильную работу при низких температурах (например, до −24 °C).
• Потенциал для масштабирования. Технология может быть адаптирована для использования в разных масштабах — от небольших устройств до крупных промышленных систем и мегаваттных установок для накопления возобновляемой энергии.

Текущие разработки и достижения

• Углеродный электрод и протон-обменная мембрана (PEM). В некоторых разработках используется углеродный материал в качестве накопительного электрода и обратимая протон-обменная мембрана.
• Органические материалы. Шведские исследователи из Уппсальского университета создали органический протонный аккумулятор на основе хинонов — органических соединений, способных поглощать и испускать ионы водорода.
• Модификация соединений. Учёные модифицировали соединение тетрахлорбензохинон (TCBQ), заменив группы хлора на аминогруппы, чтобы получить тетрааминобензохинон (TABQ). Это улучшило способность анода накапливать протоны.
• Сотрудничество RMIT и Eldor Corp. Мельбурнский королевский технологический институт (RMIT) и производитель автомобильных компонентов Eldor Corp. планировали коммерциализировать протонную технологию. Цель — масштабировать её от ваттов до киловатт и мегаватт.

Перспективы и вызовы

Перспективы:

• Замена литий-ионных аккумуляторов. Протонные батареи могут стать альтернативой литий-ионным, особенно в условиях растущего спроса на хранение энергии от возобновляемых источников. naked-science.ru +1
• Применение в электромобилях, умных домах, промышленности и электроэнергетике.
• Снижение затрат на хранение энергии. Благодаря использованию более доступных материалов технология потенциально может быть дешевле в производстве.

Вызовы:

• Доработка технологий. Многие разработки пока находятся на стадии прототипов или требуют дальнейшей оптимизации.
• Экономическая эффективность. Некоторые материалы (например, TABQ) пока дорогостоящие в синтезе, хотя в будущем это может измениться благодаря использованию лёгких элементов.
• Масштабирование. Необходимо решить инженерные и производственные задачи для перехода от лабораторных образцов к промышленному производству.
• КПД. Эффективность цикла зарядки и разрядки может быть ограничена, особенно при использовании углеродных электродов.

Вывод

Протонные батареи имеют потенциал стать значимым игроком на рынке хранения энергии благодаря экологичности, безопасности и возможности масштабирования. Однако для широкого внедрения технологии требуются дальнейшие исследования, оптимизация материалов и процессов, а также решение экономических и технических задач. В будущем проточные системы могут дополнить или частично заменить литий-ионные аккумуляторы, особенно в сферах, где важны устойчивость и доступность ресурсов.