Μπαταρίες πρωτονίων: Η επανάσταση στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα και στα συστήματα ανανεώσιμης ενέργειας

Οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων, οι οποίες τροφοδοτούν σήμερα όλες σχεδόν τις ηλεκτρικές συσκευές, από τα έξυπνα τηλέφωνα μέχρι τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, παρουσιάζουν σημαντικά μειονεκτήματα. Η παραγωγή τους απαιτεί μεγάλες ποσότητες νερού και ενέργειας, περιέχουν σπάνια συστατικά, όπως το λίθιο, και είναι πολύ δύσκολο να ανακυκλωθούν.

Ένα είδος μπαταρίας που δεν έχει κανένα από αυτά τα μειονεκτήματα είναι οι μπαταρίες πρωτονίων, ένας τύπος επαναφορτιζόμενων μπαταριών που φτιάχνεται εξολοκλήρου από οργανικά υλικά. Οι μπαταρίες αυτές έχουν υψηλή απόδοση, φορτίζονται πολύ γρήγορα και αποδίδουν ακόμα και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.

Οφέλη και τεχνολογικά χαρακτηριστικά των μπαταριών πρωτονίων

Αντίθετα με τις μπαταρίες λιθίου-ιόντων, οι μπαταρίες πρωτονίων φορτίζονται πολύ γρήγορα, γιατί τα πρωτόνια είναι πολύ μικρότερα σε μέγεθος και μετακινούνται πιο αποτελεσματικά μεταξύ των ηλεκτροδίων της μπαταρίας. Επιπλέον, δεν παρατηρούνται σημαντικές απώλειες μάζας, χάρη σε ένα τεχνικό χαρακτηριστικό που ονομάζεται μηχανισμός Grotthuss.

Οι επιστήμονες, όπως διαβάζουμε στο thebrighterside.news, εξηγούν ότι το λίθιο είναι ένα υλικό με περιορισμένη διαθεσιμότητα και ανομοιόμορφη κατανομή στη Γη, κάτι που προκαλεί διάφορες γεωπολιτικές επιπλοκές. Επιπλέον, οι μπαταρίες λιθίου δεν είναι ιδιαίτερα ασφαλείς ούτε αποτελεσματικές σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Το βασικό χαρακτηριστικό των μπαταριών πρωτονίων είναι ότι τα ηλεκτρόδια δεν είναι από βαριά μέταλλα, αλλά από οργανικά υλικά που είναι ελαφρύτερα και αποδοτικότερα. Τα οργανικά ηλεκτρόδια αποθηκεύουν πρωτόνια καλύτερα, γιατί η μοριακή τους δομή μπορεί να αλλάξει χωρίς μόνιμες χημικές τροποποιήσεις.

Το υλικό που έχει παρουσιάσει τα καλύτερα αποτελέσματα στο εργαστήριο είναι η τετρααμινο-βενζοκινόνη (TABQ). Η ουσία αυτή είναι παράγωγο της τετραχλωρο-βενζοκινόνης (TCBQ), ένα υλικό που είχε δοκιμαστεί παλιότερα με περιορισμένη επιτυχία. Αντίθετα, η αντικατάσταση των τεσσάρων ατόμων χλωρίου από αμινομάδες (ενώσεις αζώτου και υδρογόνου) βελτίωσε δραστικά την αποθήκευση πρωτονίων και δημιούργησε ένα σύστημα με πολύ υψηλή απόδοση.

Οι ερευνητές συνδύασαν μία άνοδο από τετρααμινο-βενζοκινόνη και μία κάθοδο τετραχλωρο-βενζοκινόνη με μεγάλη επιτυχία. Η μπαταρία πρωτονίου που δημιούργησαν μπορούσε να αντέξει 3.500 κύκλους φόρτισης-αποφόρτισης, 350% επιπλέον σε σχέση με τα ανόργανα συστήματα (των 1.000 κύκλων).

Αυτό θεωρείται το πρώτο πλήρως οργανικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που είναι αποτελεσματικό σε χαμηλές θερμοκρασίες και θερμοκρασίες υπό του μηδενός. Η μπαταρία πρωτονίων μπορούσε να λειτουργήσει καλύτερα, γιατί ο ηλεκτρολύτης της είναι ένα απλό διάλυμα νερού, αντί για κάποιο άλας λιθίου, το οποίο μάλιστα είναι εύφλεκτο.

Προοπτικές και προκλήσεις για τις μπαταρίες πρωτονίων στην αγορά

Το μόνο πρόβλημα που μένει να ξεπεραστεί προς το παρόν είναι το κόστος παραγωγής τετρααμινο-βενζοκινόνης, κάτι το οποίο αναμένεται να πέσει με τη μαζική παραγωγή του υλικού. Όταν γίνει αυτό, οι μπαταρίες πρωτονίων θα μπορούν να παραχθούν σε ικανοποιητικούς αριθμούς και να υποστηρίξουν ακόμα και συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (τα οποία λειτουργούν ασυνεχώς λόγω των καιρικών συνθηκών).

Αξίζει να σημειωθεί ότι οι ερευνητές επιδιώκουν να βελτιώσουν και την κάθοδο, αναπτύσσοντας οργανικά μόρια με μεγαλύτερη ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας από την τετράχλωρο-βενζοκινόνη, κάτι που θα αυξήσει την τάση των μπαταριών και θα πολλαπλασιάσει τις εφαρμογές τους.

Παράλληλα, η κατανόηση των μηχανισμών μεταφοράς πρωτονίων στους συσσωρευτές μπορεί να αποτελεί το πρώτο βήμα, ώστε να διευρύνουμε τη σχετική γνώση μας και σε άλλους τομείς της επιστήμης, και ειδικότερα στη βιολογία, όπου τα κυτταρικά συστήματα ανταλλάσσουν πρωτόνια σε διάφορες φυσιολογικές λειτουργίες.