Garsaus išradėjo nikelio ir geležies akumuliatoriaus idėja kol kas netinka elektromobiliams, tačiau ji galėtų padėti saulės baterijų ūkiams ir duomenų centrams.
Iliustracija simbolizuoja naują baterijų technologiją: baltymai (raudoni) laiko mažyčius metalo (sidabro) sankaupas. Kiekvienas geltonas rutuliukas centrinėse struktūrose žymi vieną nikelio arba geležies atomą. Nuotrauka: Maher El-Kady / UCLA
Įkraunama baterija, pagrįsta Tomo Edisono sukurta technologija, pagaliau gali sulaukti savo laiko. Tačiau nors garsus išradėjas prieš daugiau nei šimtmetį įsivaizdavo nikelio ir geležies baterijas, kurios tiktų automobilių pramonei, dabar tyrėjai mano, kad pagrindinės koncepcijos labiau tinka atsinaujinančios energijos centrams. Remiantis žurnale „Small“ paskelbtu tyrimu, Kalifornijos universiteto Los Andžele (University of California, Los Angeles, UCLA) inžinierių komanda sukūrė prototipinę bateriją, kuri įkraunama per kelias sekundes ir atlaiko daugiau nei 12 000 naudojimo ciklų – tai atitinka daugiau nei 30 metų kasdienės veiklos.
Įkraunama elektros energija nėra nauja koncepcija. Iki 1900 m. Jungtinių Valstijų keliuose iš tikrųjų buvo daugiau elektrinių hibridinių automobilių nei benzininių transporto priemonių. 1901 m. Edisonas užpatentavo veikiančią švino-rūgšties automobilio bateriją. Deja, baterijos kaina ir jos 30 mylių atstumas galiausiai pralaimėjo vidaus degimo varikliui, kol Edisonas dar nespėjo sukurti nikelio-geležies baterijos.
Šiandien atsinaujinanti energija yra galutinai įsitvirtinusi po daugiau nei šimtmečio inovacijų, taip pat ir po žalingų iškastinio kuro pasekmių. Nors dauguma žmonių yra susipažinę su įkraunamomis ličio jonų baterijomis, Edisono nikelio ir geležies koncepcija nėra visiškai mirusi. UCLA inžinieriai pripažįsta, kad nors ši technologija nebūtinai tinka transportui, ji rodo neįtikėtiną potencialą naudoti infrastruktūros objektuose, tokiuose kaip saulės energijos ūkiai.
Nors įrenginio pagrindai remiasi atominio lygio jungtimis nanoskalėje, biochemikai, tokie kaip tyrimo bendraautoris Maher El-Kady, teigia, kad principus gana lengva suprasti.
„Žmonės dažnai mano, kad šiuolaikinės nanotechnologijos priemonės yra sudėtingos ir aukštųjų technologijų, tačiau mūsų požiūris yra stebėtinai paprastas ir aiškus“, – teigė jis neseniai paskelbtame UCLA profilyje.
El-Kady komanda įkvėpimo sėmėsi iš dviejų pagrindinių šaltinių: elementų chemijos ir skeleto anatomijos. Tiek stuburinių gyvūnų kaulai, tiek kriauklės susidaro naudojant tam tikrus baltymus kaip kalcio pagrindo junginių karkasą.
„Teisingas mineralų išdėstymas sukuria kaulus, kurie yra stiprūs, tačiau pakankamai lankstūs, kad nebūtų trapūs. Kaip tai daroma, yra beveik taip pat svarbu, kaip ir naudojama medžiaga, o baltymai lemia, kaip jie išsidėstę“, – aiškino medžiagų mokslininkas ir tyrimo bendraautoris Ricas Kaneris.
El-Kady ir Kaneris svarstė, ar galėtų pritaikyti šią sistemą, pakeisdami kalcį nikeliu ir geležimi. Savo baltymams jie panaudojo jautienos perdirbimo šalutinius produktus ir juos praturtino grafeno oksidu – vieno atomo storio anglies ir deguonies sluoksniu. Galiausiai jiems pavyko užauginti sulankstytą baltymų struktūrą, užpildytą teigiamo elektrodo nikelio atomais ir neigiamai įkrauta geležimi. Esant mažesniam nei penkių nanometrų pločiui, prireiktų 10 000–20 000 klasterių, kad būtų pasiektas žmogaus plauko plotis.
Grafeno oksido deguonies atomai paprastai veikia kaip izoliatorius, o tai trukdo baterijos efektyvumui. Tačiau komanda turėjo sprendimą. Įdėjus savo gaminį į perkaitintą vandenį, aukšta temperatūra iškepė baltymus į anglį, o deguonis buvo pašalintas. Tuo pačiu metu metalinės sankaupos yra dar labiau įterpiamos į struktūras. Rezultatas buvo aerogelis, kurio beveik 99 procentai tūrio sudaro oras. Nuo to momento prasideda stebinanti paviršiaus dinamika.
„Pereinant nuo didesnių dalelių prie šių itin mažų nanoklasterių, paviršiaus plotas tampa žymiai didesnis. Tai didžiulis baterijų pranašumas“, – sakė El-Kady. „Kai dalelės yra tokios mažos, reakcijoje gali dalyvauti beveik kiekvienas atomas. Taigi, įkrovimas ir iškrovimas vyksta daug greičiau, galima sukaupti daugiau krūvio, o visa baterija tiesiog veikia efektyviau.“
El-Kady nikelio-geležies aerogelio baterija šiuo metu neturi nė iš tolo tokios talpos kaip ličio jonų alternatyva, todėl ji netinka elektrinėms transporto priemonėms. Tačiau tai nereiškia, kad tai tiesiog tvarkingas cheminis eksperimentas. Greitas nikelio-geležies baterijos įkrovimas, ilgaamžiškumas ir didelė galia reiškia, kad ji gali gerai veikti saulės energijos ūkyje. Baterija galėtų lengvai ir greitai kaupti elektros energijos perteklių dieną, o naktį perduoti šią energiją į tinklą. Taip pat yra scenarijų, kai tai gali padėti užtikrinti atsarginę energiją daug energijos reikalaujantiems duomenų centrams.
Nors Edisono nikelio-geležies baterijų atgimimas dar tik prasideda, moksliniai tyrimai ir praktinės žinios jau yra. Be to, tai visiškai apeina ličio jonų baterijų priklausomybę nuo retųjų žemių metalų.
„Mes tiesiog maišome įprastus ingredientus, taikome švelnius kaitinimo veiksmus ir naudojame plačiai prieinamas žaliavas“, – sakė El-Kady.