Istraživači predvođeni Genkijem Kobajašijem u RIKEN klasteru za pionirska istraživanja u Japanu razvili su čvrsti elektrolit za transport hidridnih jona (H − ) na sobnoj temperaturi.
Ovaj proboj znači da su prednosti čvrstih baterija i gorivnih ćelija na bazi vodonika na dohvat ruke, uključujući poboljšanu sigurnost, efikasnost i gustinu energije, koji su od suštinskog značaja za napredovanje ka praktičnoj energetskoj ekonomiji zasnovanoj na vodoniku. Studija je objavljena u časopisu Napredni energetski materijali.
Da bi skladištenje energije na bazi vodonika i gorivo postali rasprostranjeniji, ono mora da bude bezbedno, veoma efikasno i što jednostavnije. Trenutne gorive ćelije zasnovane na vodoniku koje se koriste u električnim automobilima rade tako što dozvoljavaju protonima vodonika da prođu sa jednog kraja gorivne ćelije na drugi kroz polimernu membranu kada generišu energiju.
Efikasno kretanje vodonika velike brzine u ovim gorivnim ćelijama zahteva vodu, što znači da membrana mora biti stalno hidrirana kako se ne bi osušila. Ovo ograničenje dodaje sloj složenosti i cene dizajnu baterija i gorivih ćelija, ograničavajući praktičnost energetske ekonomije sledeće generacije zasnovane na vodoniku. Da bi prevazišli ovaj problem, naučnici se bore da pronađu način da sprovode negativne hidridne jone kroz čvrste materijale, posebno na sobnoj temperaturi.
Čekanje je gotovo. „Postigli smo pravu prekretnicu“, kaže Kobajaši. „Naš rezultat je prva demonstracija čvrstog elektrolita koji provode hidridne jone na sobnoj temperaturi.“
Tim je eksperimentisao sa lantan hidridima (LaH 3-δ ) iz nekoliko razloga: vodonik se može relativno lako osloboditi i uhvatiti, provodljivost hidridnih jona je veoma visoka, mogu da rade ispod 100°C i imaju kristalnu strukturu.
Ali, na sobnoj temperaturi, broj vodonika vezanih za lantan varira između 2 i 3, što onemogućava efikasnu provodljivost. Ovaj problem se zove vodonična nestehiometrija i bila je najveća prepreka koja je prevaziđena u novoj studiji. Kada su istraživači zamenili deo lantana stroncijumom (Sr) i dodali samo prstohvat kiseonika — za osnovnu formulu La 1-k Sr k H 3-k-2i O i, dobili su rezultate kojima su se nadali.
Tim je pripremio kristalne uzorke materijala koristeći proces koji se zove mlevenje kuglicama, nakon čega je usledilo žarenje. Proučavali su uzorke na sobnoj temperaturi i otkrili da mogu da provode hidridne jone velikom brzinom. Zatim su testirali njegove performanse u čvrstoj gorivoj ćeliji napravljenoj od novog materijala i titanijuma, varirajući količine stroncijuma i kiseonika u formuli. Sa optimalnom vrednošću od najmanje 0,2 stroncijuma, primetili su potpunu 100% konverziju titanijuma u titanijum hidrid, ili TiH 2 . To znači da je skoro nula hidridnih jona izgubljena.
„Kratkoročno, naši rezultati pružaju smernice za dizajn materijala za čvrste elektrolite koji provode hidridne jone“, kaže Kobajaši. „Dugoročno, verujemo da je ovo prelomna tačka u razvoju baterija, gorivnih ćelija i elektrolitičkih ćelija koje rade pomoću vodonika.
Sledeći korak će biti poboljšanje performansi i stvaranje materijala za elektrode koji mogu reverzibilno da apsorbuju i oslobađaju vodonik. Ovo bi omogućilo punjenje baterija, kao i omogućilo da se vodonik stavi u skladište i da se lako otpusti kada je to potrebno, što je uslov za korišćenje energije na bazi vodonika.
