خودروهای الکتریکی آینده ممکن است به لطف یک پیشرفت جدید در ذخیرهسازی انرژی هیدروژن در دماهایی بسیار پایینتر از آنچه قبلاً ممکن بود، باتریهای لیتیوم-یون را کنار بگذارند.
محققان مؤسسه علوم توکیو یک باتری هیدروژنی ساختهاند که از هیدرید منیزیم به عنوان آند، گاز هیدروژن به عنوان کاتد، و یک الکترولیت حالت جامد با ساختار بلوری استفاده میکند.
در مطالعهای که ۱۸ سپتامبر در مجله ساینس منتشر شد، دانشمندان خاطرنشان کردند که این باتری میتواند در دمای ۹۰ درجه سانتیگراد (۱۹۴ درجه فارنهایت) کار کند، در حالی که روشهای فعلی ذخیرهسازی هیدروژن حالت جامد به دمای عملیاتی ۳۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد (۵۷۲ تا ۷۵۲ درجه فارنهایت) نیاز دارند.
به گفته تاکاشی هیروسه، نویسنده اصلی این مطالعه و استادیار مؤسسه تحقیقات شیمیایی دانشگاه کیوتو (ICR): “این ویژگیهای باتری ذخیرهسازی هیدروژن ما قبلاً از طریق روشهای حرارتی معمولی یا الکترولیتهای مایع قابل دستیابی نبودند و زیربنایی را برای سامانههای کارآمد ذخیرهسازی هیدروژن مناسب برای استفاده به عنوان حاملهای انرژی فراهم میکنند.”
چالشها و دستاورد جدید
باتریهای هیدروژنی با اجزای حالت جامد و همچنین پیلهای سوختی هیدروژنی از قبل وجود دارند. با این حال، نوع اول به دمای عملیاتی بالا نیاز دارند، در حالی که نوع دوم با مشکلاتی نظیر کارایی پایینتر نسبت به باتریهای لیتیوم-یون و همچنین دشواری در ذخیرهسازی گاز هیدروژن تحت فشار بالا روبرو هستند.
اما با این باتری هیدروژنی جدید، دانشمندان به ظرفیت ذخیرهسازی نظری کامل آند و رسانایی یونی بالا در دمای اتاق دست یافتند.
زیربنای مستحکم
هسته اصلی این باتری هیدروژنی در الکترولیت جامد آن نهفته است. این الکترولیت که از هیدریدهای باریوم، کلسیم و سدیم تشکیل شده است، ساختاری شبیه به بلور دارد که هم پایداری الکتروشیمیایی بالا و هم رسانایی یونی بالا را، به ویژه برای یونهای هیدرید، در دماهای نسبتاً پایین ارائه میدهد.
این باتری در عملکرد، بسیار شبیه به یک باتری لیتیوم-یون عمل میکند، با این تفاوت که به جای یونهای دارای بار مثبت، از یونهای هیدرید (با بار منفی) استفاده میکند که میتوانند از ساختار بلوری الکترولیت عبور کنند.
در هنگام تخلیه انرژی، گاز هیدروژن در کاتد طی یک واکنش شیمیایی به یونهای هیدرید کاهش مییابد که از طریق الکترولیت به آند منیزیمی حرکت میکنند و در آنجا اکسید شده و را تشکیل میدهند. در این حالت، واکنشهای اکسایش-کاهش (ردوکسی) رخ میدهد و آند با بار منفی، الکترون از دست میدهد. این الکترونها از طریق یک مدار خارجی به کاتد (که اکنون بار خالص مثبت دارد) جریان مییابند و به این ترتیب، انرژی به دستگاهها یا سامانههای متصل تحویل داده میشود.
هنگام شارژ، عکس این عمل توسط یک منبع تغذیه خارجی و با ایجاد واکنشهای ردوکس صورت میگیرد. آند یونهای هیدرید را آزاد میکند که از طریق الکترود عبور کرده و سپس در الکترود هیدروژن اکسید میشوند تا گاز هیدروژن تشکیل شود. به این ترتیب، الکترونها از الکترود به الکترود جریان مییابند تا زمانی که واکنش کاهش دیگر نتواند رخ دهد، به این معنی که باتری کاملاً شارژ شده است.
چگالی انرژی و پتانسیل آینده
با این طراحی باتری، گاز هیدروژن میتواند به صورت یک سلول حالت جامد بر اساس تقاضا ذخیره و آزاد شود، با ظرفیتی معادل ۲,۰۳۰ میلیآمپر ساعت بر گرم (برای مقایسه، باتریهای لیتیوم-یون معمولاً دارای ظرفیتی بین ۱۵۴ تا ۲۰۳ میلیآمپر ساعت بر گرم هستند).
اگرچه دمای عملیاتی ۹۰ درجه سانتیگراد کمی پایینتر از نقطه جوش آب است و این باتری را هنوز برای وسایل الکترونیکی روزمره مانند گوشیهای هوشمند یا لپتاپها مناسب نمیسازد، اما پتانسیل آن را دارد که راه را برای ذخیرهسازی کارآمدتر و آسانتر هیدروژن هموار کند. این امر به نوبه خود میتواند باعث شود که خودروهای الکتریکی به جای باتریهای لیتیوم-یون – که سنگین هستند و از کاهش کارایی و تخریب در طول عمر خود رنج میبرند – از باتریهای هیدروژنی استفاده کنند.
ذخیرهسازی بهتر هیدروژن بدون نیاز به سامانههای فشار بالا، سرمایش شدید یا دمای عملیاتی بالا، میتواند استفاده از هیدروژن را به عنوان یک منبع انرژی پاک بیشتر توسعه دهد. این دستاورد میتواند ردپای کربن کمتری نسبت به سوختهای فسیلی و سامانههای فعلی مبتنی بر هیدروژن داشته باشد و در صورت تولید انبوه، هیدروژن را به عنوان سوخت آینده تقویت کند.