Novi, okolju prijaznejši akumulatorji
Raziskovalni skupini prof. dr. Patrika Johanssona iz Tehnične univerze Chalmers in prof. dr. Roberta Dominka iz Kemijskega inštituta sta razvili nov koncept aluminijevih akumulatorjev, ki ima dvakrat višjo energijsko gostoto od predhodnih akumulatorjev. Hkrati je osnovan na pogostih in okoljsko neproblematičnih materialih, kar bo vodilo do znižanja cene in okoljskega vpliva akumulatorjev. Sistem ima potencialno aplikacijo v stacionarnem shranjevanju električne energije, na primer shranjevanje električne energije iz sončnih in vetrnih elektrarn. Uporaba aluminijevih akumulatorjev ponuja več prednosti, visoko kapaciteto aluminijeve kovinske anode in že obstoječe ter preverjene postopke za proizvodnjo in recikliranje aluminija. V primerjavi z današnjimi Li-ionskimi akumulatorji bi lahko ta koncept vodil do bistvenega znižanja cene akumulatorjev.
V novem konceptu so raziskovalci pripravili aluminijevo anodo in katodo na osnovi antrakinona. Organska antrakinonska katoda omogoča shranjevanje pozitivno nabitih nosilcev naboja, za razliko od prejšnjih grafitnih katod, ki so shranjevale negativno nabite ione. Prednost teh organskih molekul je v tem, da omogočajo shranjevanje pozitivno nabitih nosilcev naboja iz elektrolita, ki omogoča prenašanje naboja med elektrodama, kar omogoča višjo energijsko gostoto akumulatorja. Antrakinonske katode za uporabo v večvalentnih akumulatorjih je razvil dr. Jan Bitenc (Odsek za kemijo materialov na Kemijskem inštitutu).
Članek o tem odkritju z naslovom: »Koncept in elektrokemijski mehanizem akumulatorja na osnovi aluminijeve anode ‒ organske katode«, je bil tudi objavljen v reviji Energy Storage Materials: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829719308931
Ilustracija: nov koncept aluminijevih akumulatorjev
Vir: Chalmers University of Technology
»Cena materialov in okoljski vplivi, ki jih pričakujemo pri našem novem Al akumulatorju so precej nižji od trenutno uporabljenih Li-ionskih akumulatorjev. To dela naš sistem izjemno zanimiv za shranjevanje energije na večjih sestavih fotovoltaičnih ali vetrnih elektrarn« razlaga prof. Patrik Johansson iz oddelka za fiziko na Tehnični univerzi Chalmers v Göteborgu. »Dodatno ima naš akumulator dvakrat višjo energijsko gostoto v primerjavi z Al akumulatorji, ki so trenutno poznani v literaturi«….»Zaradi novega katodnega materiala, ki nam omogoča uporabo primernejšega nosilca naboja lahko v tem sistemu bolje izkoristimo potencial aluminija. Nadaljne raziskave pa potekajo z iskanjem primernejšega elektrolita. Trenutni elektrolit vsebuje klorid, ki se ga želimo znebiti.« pravi raziskovalec Niklas Lindah, ki študira mehanizem shranjevanja v tem sistemu.
Trenutno še nimamo komercialno dostopnih aluminijevih akumulatorjev in tudi sama tematika je v raziskovalnem svetu relativno nova. Vprašanje prihodnosti je, ali bi aluminijevi akumulatorji lahko enkrat zamenjali Li-ionske akumulatorje.
»Seveda upamo, da bi jih enkrat lahko zamenjali. Vendar gotovo lahko aluminijevi služijo kot komplementarna možnost, ki pomeni, da so Li-ionski akumulatorji uporabljeni le tam kjer so nujni. Trenutno je njihova energijska gostota le 50% energijske gostote Li-ionskih akumulatorjev, vendar je naš cilj doseči primerljivo energijsko gostoto. Glavno delo, ki nas čaka, je povezano z razvojem elektrolita in razvojem izboljšanega elektrokemijskega mehanizma. Kljub temu je aluminij v teoriji bistveno boljši, saj je večvalenten, kar pomeni, da en prenesen ion pomeni več prenesenih elektronov. Predvsem imajo aluminijevi akumulatorji potencial, da so okolju prijaznejši.« pravi prof. Patrik Johansson.
V novembru 2015 je Patrik Johansson s svojo idejo pridobil 100.000 € v inovacijskem tekmovanju, ki ga je organiziral koncern BASF. Njegova ekipa je predstavila akumulatorsko tehnologijo na osnovi aluminija. Koncept je ponujal višjo energijsko gostoto in bistveno nižjo ceno surovin kot v predhodnih raziskavah. Štiri leta po pričetku in po tesnem sodelovanju s Kemijskim inštitutom je ideja dosegla stopnjo fizičnega koncepta.
Dr. Jan Bitenc iz Odseka za kemijo materialov na Kemijskem inštitutu, pa je leta 2017 dobil štipendijo Rune Bernhardsson Grafenskega sklada in s tem dobil priložnost za delo na Tehnični univerzi Chalmers. To je omogočilo skupno delovanje na tej temi. Ekipa iz Chalmersa je delovala na aluminijevi anodi in elektrolitu, medtem ko je dr. Jan Bitenc razvil organsko katodo, ki je že pokazala obetavno delovanje v Mg akumulatorjih. Projekt je postal začetek večletnega sodelovanja, kjer so optimizirali katodni material in razložen elektrokemijski mehanizem.
