Energiatehnoloogia valdkonnas on toimunud seni vähe märgatud, kuid tõeliselt murranguline läbimurre. Teadlastel on õnnestunud luua täiesti uut tüüpi laetav aku, mille põhikomponent pole mitte liitium, vaid vandenikuioonid.
Esimest korda töötab selline tehnoloogia toatemperatuuril, ei vaja ekstreemseid tingimusi ning omab potentsiaali muuta viisi, kuidas inimkond energiat talletab ja kasutab. Seni on vandenikuioonide liikumist läbi tahke aine peetud pea sama keeruliseks kui hüpet Kuule.
Selle saavutamiseks oli vaja väga kõrgeid temperatuure ja keerulisi tingimusi, mistõttu jäid varasemad katsetused laboritesse. Nüüd aga on Daliani keemiafüüsika instituudi meeskond, mida juhib Ping Chen, esitlenud uut prototüüpi, mis tõestab, et muutused on võimalikud ka sõna otseses mõttes maapealsetes tingimustes – ilma tohutute kuumushüpete või keerukate jahutussüsteemideta.
Kuidas vandenikuaku töötab
Akutuumaks on täiesti uus komposiitne elektrolüüt, mille teadlased lõid baariumi- ja tseeriumhüdriidide baasil. Tseeriumhüdriid tagab vandenikuioonidele väga kiire liikumise, baariumikihid aga pakuvad stabiilsust ja kaitset soovimatute reaktsioonide eest. See kombinatsioon võimaldab vandenikuioonidel liikuda läbi tahke materjali peaaegu sama lihtsalt nagu vedelikus, kuigi kogu aku ise on tahke.
Just liikumiskiiruse ja stabiilsuse ühitamine oli varasemate katsete suurim takistus, kuid seekord on see barjäär ületatud. Tulemuseks on esimene vandenikuaku, mis suudab töötada toatemperatuuril mitte üksnes teoreetiliselt, vaid ka reaalselt – koos toimivate laadimis- ja tühjendamistsüklitega.
Erinevused liitiumakudest
Liitiumakud valitsevad küll praegu turgu, kuid nendega kaasneb rida puudusi. Üheks suuremaks probleemiks on dendriidid – teravad liitiumistruktuurid, mis tekivad laadimise käigus ja võivad põhjustada lühise või isegi tulekahju. Lisaks kasutatakse liitiumakudes sageli süttivaid vedelaid elektrolüüte, mis suurendavad ohtu veelgi.
Vandenikuakudest on need probleemid põhimõtteliselt välistatud. Neis ei kasutata vedelaid elektrolüüte ning vandenikuioon on ise väike, väga liikuv ja ei moodusta ohtlikke struktuure nagu liitium.
Lisaks võib selline lahendus teoreetiliselt osutuda odavamaks – vandenik on üks levinumaid elemente universumis ning kasutatavad metallid pole nii kallid kui liitiumi- või koobaltipõhised komponendid, mida kasutatakse tänapäeva tippakudes.
Senised tulemused
Prototüüp töötab tseeriumhüdriidist anoodi ja naatriumalanadist katoodiga – viimast on varem kasutatud vandeniku salvestamise teadusuuringutes. Esimesel laadimis-tühjendamistsüklil saavutati 984 mAh/g mahutavus, mis 20. tsükli järel stabiliseerus umbes 402 mAh/g juures.
Kuigi need näitajad pole veel vapustavad, on kõige olulisem, et laadimis- ja tühjendamistsüklid toimivad usaldusväärselt. See tähendab, et tehnoloogia pole enam ainult teoreetiline idee, vaid reaalselt töötav süsteem.
Tulemused näitavad, et vandenikuioonid võivad olla stabiilsed ja efektiivsed laengu kandjad. Kui õnnestub tõsta nii energiatihedust kui ka kasutada tsüklite arvu, võib vandenikuaku tulevikus konkureerida liitiumakudega nii energiasalvestusvõime kui ka vastupidavuse osas.
Millised väljakutsed on veel ees
Suurim tehniline ülesanne on tõsta aku tööpinge üle 2 volti, säilitades samal ajal stabiilsuse ja pika eluea. Praegu suudab prototüüp süüdata LED-lambi umbes 1,9 V pingega, kuid enamik seadmeid vajab sellest rohkem.
Samuti tuleb suurendada tsüklite arvu mõnest kümnest mitme tuhande tsüklini – alles siis saab rääkida praktilisest, igapäevaseks kasutuseks sobivast lahendusest. See eeldab materjalide optimeerimist ja paremat kaitset lagunemisprotsesside vastu.
Oluline küsimus on ka tootmise skaleerimine. Praegu toimub kõik laboris, kuid massitootmisse jõudmine nõuab aega, ressursse ja uusi tehnilisi lahendusi. Siiski on teadlased optimistlikud – kõige raskem osa, vandenikuioonide tõhus ja stabiilne liikumine toatemperatuuril, on juba lahendatud. Edasine töö seisneb „vaid” tehnoloogia täiendamises ja tööstusliku taseme saavutamises.
