To, co miało przeszkadzać baterii, okazało się jej największą zaletą. Reakcja chloru działa szybciej i daje wyższe napięcie niż tlenowa.
Dodawanie wybielacza do baterii brzmi trochę jak przypał. W laboratorium Oak Ridge National Laboratory do słonej wody wprowadzono jednak podchloryn sodu, czyli związek odpowiadający za działanie wielu domowych wybielaczy. Efekt był zaskakujący, bo moc szczytowa ogniwa wzrosła ponad 2-krotnie, a napięcie rozładowania udało się podnieść do 3,5 V.
Najpierw próbowali pozbyć się tej reakcji
Baterie wykorzystujące słoną wodę nie są nowym pomysłem. Zamiast opierać magazyn energii na litu, niklu czy kobalcie, wykorzystują bardzo pospolity sód obecny w chlorku sodu, a część elektrolitu może być wodnym roztworem soli.
Taka konstrukcja jest szczególnie interesująca w stacjonarnych magazynach energii. Bateria stojąca obok farmy fotowoltaicznej nie musi być lekka jak akumulator samochodu, dlatego można zaakceptować niższą gęstość energii w zamian za tańsze surowce, większe bezpieczeństwo i łatwiejsze chłodzenie.
Problem pojawia się jednak przede wszystkim po stronie reakcji zachodzącej przy dodatniej elektrodzie. W klasycznej wersji baterii ze słoną wodą istotną rolę odgrywają reakcje wydzielania i redukcji tlenu, czyli OER i ORR. Podczas pracy tlen musi przechodzić między postacią rozpuszczoną w cieczy i gazem, co komplikuje całą chemię ogniwa.
Reakcje są stosunkowo powolne, potrzebują dostępu do tlenu i zwykle wymagają katalizatora. Każdy z tych elementów dokłada kolejne straty, podnosi koszt systemu i ogranicza moc, którą można gwałtownie odebrać z baterii.
Badacze zauważyli jednak, iż zanim dominującą rolę zaczyna odgrywać tlen, w słonej wodzie zachodzi jeszcze inna reakcja. Z jonów chlorkowych może powstawać podchloryn. Do tej pory traktowano go jak niechciany produkt uboczny.
Zamiast go usuwać, zrobili z niego najważniejszy element baterii
Wooseok Go, Ruhul Amin i Ilias Belharouak najpierw dokładnie prześledzili zachowanie baterii podczas ładowania i rozładowania. Monitorowali na bieżąco pH elektrolitu oraz ilość rozpuszczonego tlenu i ustalili, iż rzeczywisty mechanizm jest znacznie bardziej złożony, niż zakładał prosty model oparty wyłącznie na reakcjach tlenowych.
Podchloryn powstawał i był ponownie zużywany podczas cyklu pracy ogniwa, a w odpowiednich warunkach jego reakcje mogły przejąć znaczną część pracy wykonywanej wcześniej przez tlen. Badacze więc zamiast dalej projektować ogniwo tak, aby ograniczyć powstawanie podchlorynu, zaczęli zwiększać jego udział.
Do słonego elektrolitu dodali podchloryn sodu. To NaClO, czyli właśnie jeden z najpopularniejszych aktywnych składników wybielaczy i środków dezynfekujących. Nie oznacza to oczywiście, iż przyszły magazyn energii będzie napełniany butelkami wybielacza ze sklepu. Komercyjne środki czyszczące zawierają różne stężenia podchlorynu i dodatkowe składniki, podczas gdy w ogniwie stosuje się kontrolowany chemicznie roztwór. Chemiczny bohater eksperymentu jest jednak dokładnie tym samym związkiem.
Znika tlen, znika katalizator i znika część strat
Najważniejsza przewaga reakcji podchlorynu polega przede wszystkim na tym, iż cały proces może zachodzić w fazie ciekłej. Nie trzeba ciągle tworzyć tlenu w postaci gazu, a później ponownie go rozpuszczać i redukować. Zmiana fazy kosztuje czas i energię. jeżeli można jej uniknąć, przepływ ładunku zaczyna przebiegać sprawniej, a wewnętrzny opór całego ogniwa spada.
Niepotrzebny staje się również katalizator wymagany do przyspieszania powolnych reakcji tlenowych. Upraszcza to stronę katodową i usuwa kolejny komponent, który trzeba byłoby produkować, zabezpieczać i wymieniać.
Badacze potwierdzili mechanizm, mierząc jednocześnie pH oraz zawartość tlenu podczas pracy. Po dodaniu podchlorynu reakcje OER i ORR zostały wyraźnie ograniczone, a chemia podchloryn-chlorek zaczęła dominować. Można powiedzieć, iż zamiast poprawiać kiepski silnik, naukowcy znaleźli w tej samej maszynie drugi i odkryli, iż działa lepiej.
Napięcie wzrosło do 3,5 V
Różnicę widać nie tylko w samych wykresach opisujących reakcje chemiczne. W podstawowej konfiguracji wykorzystującej podchloryn ogniwo osiągnęło napięcie rozładowania wynoszące 3,3 V. Po dalszym dostrojeniu pH elektrolitu w kierunku wartości bliskiej obojętnej udało się osiągnąć 3,5 V. Jednocześnie różnica pomiędzy napięciem ładowania i rozładowania, czyli polaryzacja napięciowa, spadła do około 0,66 V.
Mniejsza polaryzacja oznacza mniej energii traconej podczas przepychania reakcji w obie strony. Im bliżej siebie znajdują się napięcia potrzebne do ładowania i uzyskiwane przy rozładowaniu, tym sprawniej ogniwo może pracować. Wartość 3,5 V robi dodatkowe wrażenie przez porównanie z ogniwami litowo-jonowymi, których napięcie robocze również często znajduje się w okolicach kilku woltów.
Nie oznacza to jednak, iż nowa bateria właśnie dogoniła litowo-jonową pod każdym względem. Napięcie to tylko jeden parametr, a o użyteczności magazynu decydują jeszcze gęstość energii, trwałość, sprawność całego cyklu, koszt, tempo degradacji i zachowanie tysięcy ogniw połączonych w duży system.
Moc szczytowa wzrosła ponad dwa razy
Jeszcze ciekawszy wynik pojawił się przy pomiarze mocy. Po zmianie dominującej reakcji i odpowiednim dostrojeniu elektrolitu maksymalna moc wzrosła ponad 2-krotnie względem wcześniejszej wersji baterii ze słoną wodą.
Ma to tak naprawdę ogromne znaczenie szczególnie dla sieci energetycznej. Magazyn energii nie zawsze ma jedynie spokojnie oddawać prąd przez kilkanaście godzin. Czasami w ciągu sekund musi zareagować na awarię, gwałtowny wzrost zapotrzebowania albo nagłe odłączenie innego źródła.
W takim scenariuszu sama ilość zgromadzonej energii nie wystarczy. System musi jeszcze potrafić gwałtownie ją oddać bez gwałtownego spadku napięcia i destabilizacji ogniw.
Nowa chemia zachowywała się stabilnie także przy szybkim poborze energii. To właśnie dlatego twórcy widzą dla niej zastosowanie nie tylko w klasycznych magazynach sieciowych, ale również w centrach danych i instalacjach wymagających dużej mocy dostępnej niemal natychmiast.
Podobny problem opisywaliśmy przy okazji planów zasilania centrów danych energią zgromadzoną w samochodach i bateriach sodowo-jonowych. W takich obiektach coraz ważniejsze staje się nie tylko to, ile energii można zgromadzić, ale również jak gwałtownie można ją uwolnić podczas przeciążenia sieci.
W środku przez cały czas nie pływa po prostu woda z wybielaczem
Słona woda pełni funkcję wodnego elektrolitu po jednej stronie układu, natomiast transport jonów sodu odbywa się poprzez specjalny stały elektrolit ceramiczny typu NASICON. Taka membrana przewodzi jony sodowe, ale jednocześnie pozwala odseparować wodną część ogniwa od materiałów znajdujących się po drugiej stronie. Jest to kluczowe, bo nie wszystkie składniki baterii mogłyby bezpiecznie pracować w bezpośrednim kontakcie z wodą.
Naukowcy sprawdzili również, czy środowisko zawierające podchloryn nie zaczyna niszczyć samego ogniwa. To istotne pytanie, ponieważ NaClO jest silnym utleniaczem i jego obecność może kojarzyć się z przyspieszoną korozją. W testach wykazano chemiczną kompatybilność z najważniejszymi badanymi komponentami, w tym ze stałym elektrolitem i kolektorami prądowymi katody. To dobry sygnał, choć laboratoryjna zgodność materiałowa nie pozostało równoznaczna z potwierdzeniem kilkunastoletniej żywotności dużego magazynu.
Badanie nie zakończyło się jednak na jednym małym ogniwie pokazującym efekt w idealnie dobranych warunkach. Zespół połączył ogniwa szeregowo, aby sprawdzić, czy nowa chemia zachowuje się poprawnie również wtedy, gdy zwiększa się napięcie całego układu.
Przetestowano także wariant wykorzystujący anodę z twardego węgla. To ważne, ponieważ pozwala odejść od części bardziej wymagających konfiguracji i zbliża rozwiązanie do materiałów znanych z rozwijanych w tej chwili baterii sodowo-jonowych.
Nie można jednak na tej podstawie powiedzieć, iż technologia jest już gotowa do ustawienia obok farmy fotowoltaicznej. Badacze pokazali skalowalność na poziomie konstrukcji ogniw, a nie działający kontenerowy magazyn o pojemności setek megawatogodzin. Przejście pomiędzy tymi etapami jest ogromne. Trzeba zbadać tysiące cykli, starzenie chemiczne, zachowanie membrany, korozję, zarządzanie elektrolitem, koszt produkcji i bezpieczeństwo podczas awarii.
Nie ma litu i kobaltu. I właśnie o to chodzi
Największym atutem baterii ze słoną wodą nie musi być rekordowa pojemność w kilogramie. Przy magazynach stacjonarnych bardziej liczy się cena każdej zgromadzonej kilowatogodziny oraz dostępność materiałów potrzebnych do wybudowania tysięcy dużych instalacji.
Lit, nikiel czy kobalt mają swoje ograniczenia pod względem kosztów, dostaw i geografii wydobycia. Sód oraz chlorek sodu należą natomiast do najłatwiej dostępnych surowców na świecie.
ORNL podkreśla także możliwość uniknięcia materiałów krytycznych w elektrodach i uproszczenia układu przez wyeliminowanie katalizatora reakcji tlenowej. W dużym magazynie każdy element, którego można się pozbyć, przekłada się na mniej skomplikowaną produkcję i potencjalnie niższy koszt.
Na tym właśnie polega różnica między baterią samochodową a sieciową. Samochód musi zabrać akumulator ze sobą, więc każdy kilogram ma znaczenie. Magazyn stojący na betonowej płycie może ważyć znacznie więcej, o ile dzięki temu będzie tańszy, bezpieczniejszy i łatwiejszy do produkcji.
W Polsce podobne instalacje rosną już do gigantycznych rozmiarów. W Dzięgielewie ma powstać magazyn o mocy 300 MW i pojemności 1200 MWh, a wraz z rozwojem OZE podobnych obiektów będzie potrzeba coraz więcej. Nie wszystkie muszą opierać się na tej samej chemii co samochody elektryczne.
*Źródło grafiki wprowadzającej: Hilary Halliwell, Pexels / Canva Pro
