Rewolucja w elektrochemii. Belgijsko-chiński przełom toruje drogę bateriom litowo-azotowym

Naukowcy z Belgii oraz Chin zidentyfikowali główne bariery stojące na drodze do komercjalizacji ogniw litowo-azotowych. Opracowana przez nich mapa drogowa, opublikowana w prestiżowym czasopiśmie Angewandte Chemie International Edition, wskazuje nie tylko jak stworzyć stabilny akumulator nowej generacji, ale też jak połączyć magazynowanie energii z ekologiczną produkcją związków chemicznych.

Jak działa ogniwo litowo-azotowe?

Zasada działania baterii litowo-azotowych opiera się na unikalnej reakcji elektrochemicznej. Podczas rozładowywania czysty lit reaguje z gazowym azotem, tworząc azotek litu. W trakcie ładowania proces ten powinien ulec odwróceniu – prąd regeneruje czysty metaliczny lit oraz uwalnia gazowy azot.

Choć pierwszą odwracalną baterię tego typu zaprezentowano blisko dekadę temu, technologia utknęła w laboratoriach. Powodem były:

• słaba stabilność cykliczna,
• niska kinetyka aktywacji azotu,
• degradacja elektrod i elektrolitu pod wpływem wilgoci czy tlenu.

Badacze z Uniwersytetu w Namur (Belgia) oraz Politechniki w Wuhan (Chiny) udowodnili, że sam projekt lepszych katalizatorów nie rozwiąże problemu. Kluczem do sukcesu jest całościowa architektura ogniwa.

Nowa architektura i wsparcie sztucznej inteligencji

W opublikowanej mapie drogowej zespół, którego głównym współautorem jest Yu Li, zaproponował rewolucyjną koncepcję baterii przepływowej ze specjalnym asystowanym polem przepływu, które drastycznie usprawnia transport azotu wewnątrz ogniwa. Badacze rekomendują również wdrożenie selektywnych jonowo membran blokujących gazy oraz rygorystycznych testów z użyciem znakowania izotopowego, aby ponad wszelką wątpliwość potwierdzić realną konwersję czystego azotu w azotek litu.

Aby maksymalnie przyspieszyć komercjalizację technologii, naukowcy postulują zaprzęgnięcie do pracy algorytmów sztucznej inteligencji, które pomogą w błyskawicznym odkrywaniu nowych materiałów i optymalizacji komponentów baterii.

Zielona chemia przyszłości

Najbardziej ekscytującym aspektem technologii jest fakt, że wykracza ona poza ramy tradycyjnego magazynowania energii. Ogniwo to może służyć jako zupełnie nowa platforma elektrochemiczna do produkcji wysokowartościowych chemikaliów zawierających azot (np. do przemysłu nawozowego czy farmaceutycznego). Pozwoli to w ramach jednej fabryki połączyć magazynowanie zielonego prądu z bezemisyjną produkcją przemysłową.

Obecnie międzynarodowy zespół prowadzi zaawansowane testy laboratoryjne z wykorzystaniem m.in. nanokatalizatorów opartych na żelazie. Ich wstępne wyniki wykazują, że pełna, stabilna odwracalność elektrochemiczna azotu jest możliwa do osiągnięcia w kontrolowanych warunkach inżynieryjnych.