Kluczowa idea akumulatorów metalowo-powietrznych jest prosta: katoda korzysta z tlenu, a więc “paliwa”, którego nie trzeba magazynować w środku. W teorii dzięki temu zyskuje się bardzo wysoką gęstość energii, bo część masy i objętości znika z bilansu całego ogniwa. Przeglądy naukowe podają dla tej chemii teoretyczną gęstość energii rzędu 4000 Wh/kg, czyli wyraźnie powyżej cynkowo-powietrznych, choć nadal poniżej skrajnie ambitnych założeń dla litowo-powietrznych.
Pożegnanie z platyną w akumulatorach? Japończycy pokazali coś, co się zgina i nie cieknie
Samo pozyskiwanie “paliwa z zewnątrz” w przypadku akumulatorów metalowo-powietrznych brzmi świetnie, ale w tej klasie “diabeł” siedzi w interfejsach i w produktach ubocznych. Magnez jako anoda potrafi cierpieć na pasywację i reakcje niepożądane, a powietrzna katoda musi radzić sobie z tym, że produkty rozładowania gdzieś muszą się fizycznie zmieścić, nie zatykając porów i nie zabijając transportu masy. Do tego dochodzi jeszcze jakość samego powietrza, bo w realnym świecie to nie jest sterylny gaz z butli, tylko mieszanka z wilgocią i dwutlenku węgla, które potrafią brutalnie popsuć chemię na granicy faz.
Czytaj też: Słońce dziś, a wodór za kilka dni. Niemcy zaskoczyli świat swoim wynalazkiem
Właśnie dlatego ciekawie brzmi doniesienie z Japonii, gdzie zespół z University of Tsukuba pokazał konstrukcję opisaną jako magnezowo-powietrzny akumulator o stałym elektrolicie, w którym postawiono na dwa ruchy naraz: metalowo-bezmetalowy katalizator na katodzie i elektrolit w formie usztywnionego żelu zamiast klasycznej cieczy (skąd więc twierdzenia o solid-state?). W ich układzie anodą jest komercyjny metaliczny magnez, katodą porowaty grafen domieszkowany azotem, a elektrolitem polimerowy żel zawierający chlorek magnezu. Tego typu zmiany są ważne, bo w magnezowo-powietrznych konstrukcjach chlorki są jednocześnie kuszące i problematyczne. Kuszące, bo potrafią wspierać przewodnictwo jonowe, ale problematyczne, bo mogą uruchamiać wewnętrzną “chlorację” elementów, co degraduje materiały i skraca życie ogniwa. Tsukuba twierdzi, że ich katoda z N-domieszkowanym porowatym grafenem jest odporna na taki atak, a jednocześnie zachowuje wysoką aktywność katalityczną w reakcjach tlenowych.
Czytaj też: Najdziwniejszy zwrot akcji energetyki? Węgiel się skończył, ale to nie koniec historii
W tle jest jeszcze jeden, bardzo praktyczny argument: platyna. W klasycznych układach powietrznych katalizatory oparte o metale szlachetne są wygodnym skrótem do dobrych parametrów reakcji tlenu, ale cenowo potrafią zabić sens całej idei “taniego magazynu energii”. Cena ledwie grama platyny wynosi bowiem obecnie około 255 złotych. Tutaj jednak można być spokojnym, bo proponowana przez Japończyków konfiguracja miała osiągnąć jednak nawet lepsze wyniki niż porównywalne układy z katodą platynową. Gdyby tego było mało, w komunikacie przeczytamy, że zespół przeprowadził nawet test mechaniczny, w którym ogniwo zachowało początkowe parametry po zgięciu do 120 stopni, a to wszystko bez oznak wycieku elektrolitu.
Czytaj też: Naukowcy wrócili do fizyki z XVI wieku, a uzyskany akumulator sodowy przerósł oczekiwania
Nowy akumulator z Japonii nie jest magiczną pigułką na akumulatorowe wyzwania, ale za to sensowną próbą rozwiązania jednego z najbardziej upartych problemów chemii magnezowo-powietrznej, bo degradacji wywołanej chlorkami i kruchości układów z ciekłym elektrolitem. Jeśli ten kierunek faktycznie przełoży się na trwałość w warunkach bliższych rzeczywistości, to zyska nie tylko elektromobilność, ale też magazyny energii dla sieci, gdzie koszt, bezpieczeństwo i serwisowalność często liczą się bardziej niż pogoń za rekordem gęstości energii. Na razie jednak warto trzymać w głowie, że “obiecujące” w laboratorium nie zawsze znaczy “produkcyjnie sensowne”.
Źródła: MDPI, University of Tsukuba
