Baterije budućnosti

Zahtevi korisnika postaju sve veći, samim tim i kompleksnost prenosivih uređaja, što neminovno dovodi do povećanja potrošnje energije, čiji su glavni izvor baterije

Poslednjih godina došlo je do pravog buma prenosnih uređaja, od mobilnih telefona, GPS uređaja, preko raznih vrsta plejera, do laptop računara. Od 1800. godine, kada je Alesandro Volta napravio prvu bateriju, principi na kojima se zasniva ovaj izvor energije ostali su gotovo netaknuti. Uprkos neprekidnom unapređenju materijala i tehnologije izrade baterija, sve je jasnije da se moraju naći novi principi skladištenja električne energije koji će korisnicima prenosnih uređaja omogućiti veću autonomiju. Stoga se širom sveta u istraživanja ove vrste ulaže puno novca i napora, i već sada smo svedoci nekoliko potencijalnih rešenja koja bi mogla da klasične baterije pošalju u istoriju...

Superkondenzatori

Svi oni koji znaju makar osnove elektrotehnike upoznati su sa kondenzatorima kao elementima koji mogu da uskladište određenu količinu električne energije, ali isto tako su upoznati i sa tim da povećanje količine uskladištene energije zahteva i povećanje gabarita kondenzatora. Opštepoznati problemi vezani za skladištenje energije u kondenzatorima obeshrabrivali su naučnike da se uopšte pozabave idejom korišćenja kondenzatora umesto baterija, sve do šezdesetih godina prošlog veka, kada su stvari polako počele da se zahuktavaju i kada su se pojavili prvi superkondenzatori (supercapacitors), kondenzatori izuzetno velikih kapaciteta. Danas su na raspolaganju superkondenzatori kapaciteta do nekoliko hiljada farada, a najčešća primena im je trenutno u hibridnim vozilima i vozilima na električni pogon, uglavnom u ulozi pomoćnih izvora energije u trenucima kada je potrebno u kratkom vremenu emitovati veću količinu energije. I pored postignutog napretka, današnji superkondenzatori ipak imaju gustinu energije po jedinici zapremine oko 25 puta manju od klasičnih baterija.

Tim naučnika sa Američkog MIT-a prišao je problemu superkondenzatora sa drugog stanovišta i odlučio da pokuša da skladištenje energije vrši na atomskom nivou, korišćenjem vertikalnih ugljeničih nano-cevi sa jednim zidom. Ove nano-cevi širine su svega nekoliko atomskih prečnika, i oko 100.000 puta veće dužine, a uz to su izuzetno pravilne strukture, što praktično znači da su dobijene gotovo idealne elektrode kondenzatora. Budući da se nano-cevi mogu veoma gusto pakovati, ovakva struktura obezbeđuje ogromnu površinu idealnih elektroda, čime se dobija gustina skladištenja energije uporediva sa onom kod sadašnjih baterija. Početni rezultati istraživanja su ohrabrujući i očekuje se da bi u sledećih nekoliko godina ova vrsta superkondenzatora mogla da uđe u komercijalnu primenu. Čak i ako bi kapacitet superkondenzatora ostalo na nivou današnjih baterija, njihove prednosti su nemerljive. Pre svega, za razliku od komercijalno raspoloživih baterija koje se mogu puniti do nekoliko hiljada puta, kondenzatori se mogu puniti i prazniti i više od milion puta, što njihov životni vek čini znatno dužim. Takođe, vreme potpunog punjenja kondenzatora meri se u sekundama, dok se klasične baterije pune satima, uz degradaciju kapaciteta, koja kod kondenzatora nije prisutna. Kondenzatori, pored toga, imaju izuzetno malu unutrašnju otpornost, visoku efikasnost (97–98%), veliku izlaznu snagu i veoma se malo zagrevaju. Kada je životna sredina u pitanju, kondenzatori, za razliku od baterija, ne sadrže nikakva toksična jedinjenja, tako da u svakom pogledu predstavljaju idealnu alternativu baterijama.

Još jedna od oblasti gde postoji potreba za minijaturnim izvorima energije je tehnologija nano-uređaja (nano-devices), čija je primena pre svega vidljiva u medicini, u vidu mikroskopskih uređaja koji se implantiraju u telo. Izrada nano-uređaja ne predstavlja toliki problem koliko njihovo napajanje – klasične baterije su prevelikih dimenzija i u sebi sadrže otrovne materijale koji se ne bi smeli naći u ljudskom organizmu. Profesor Zong Lin Vang sa Tehničkog univerziteta u Džordžiji veruje da je našao način da obezbedi napajanje za ove uređaje korišćenjem nano-generatora, koji koriste mehaničku energiju okoline za generisanje električne. Ideja se zasniva na korišćenju vertikalno složenih nano-žica od cink-oksida, koji ima poluprovodnička i piezoelektrična svojstva. Piezoelektrična svojstva ovog materijala znače da prilikom savijanja dolazi do stvaranja naelektrisanja. Iznad niza nano-žica postavljaju se elektrode koje u normalnom stanju ne dodiruju nano-žice, ali kada se nano-žice saviju, dolaze u kontakt sa elektrodama i predaju im naelektrisanje nastao usled savijanja. Minimalna mehanička kretanja, kao što je tok krvi u ljudskom organizmu ili grčenje mišića, dovoljna su za savijanje nano-žica i proizvodnju energije dokle god kretanje postoji. Štaviše, proračuni urađeni na osnovu osobina pojedinačnih nano-žica pokazuju da ovakav sistem može proizvesti do 4 W energije po kubnom centrimetru, što oblast primene čini daleko širom. Zamislite samo patike koje sadrže jednu ovakvu strukturu – energija koja se stvara prilikom hodanja bila bi dovoljna za napajanje većine prenosnih uređaja koji se danas koriste.

Gorivne ćelije

Pre približno pet godina krenule su bombastične najave toga kako bi mikro gorivne ćelije (micro fuel cells) u veoma skoroj budućnosti mogle u potpunosti da zamene baterije u prenosnim uređajima. Osnovna ideja gorivnih ćelija je jednostavna – na stranu anode dovodi se gorivo, na stranu katode oksidaciono sredstvo, te dve supstance reaguju u prisustvu elektrolita koji je sastavni deo gorivne ćelije i koji u njoj ostaje permanentno. Prilikom hemijske reakcije oslobađa se električna energija koja se koristi za napajanje električnih uređaja. Kao gorivo mogu se koristiti razne supstance, od vodonika, preko ugljovodonika do alkohola, dok se kao oksidansi mogu koristiti vazduh, hlor i hlor-dioksid. Svakako kao idealna kombinacija predstavlja se vodonik kao gorivo i vazduh kao oksidans, pri čemu se kao nusprodukt reakcije stvara voda, dakle dobija se ekološki idealan izvor energije. Početna euforija ubrzo je splasnula, budući da se projektovanje gorivnih ćelija dovoljno jeftinih za masovnu proizvodnju pokazalo kao tvrd orah za naučnike, i da predstavlja ideju čiji će razvoj ipak potrajati više nego što je očekivano. Osnovni problemi sa kojima se naučnici suočavaju vezani su za cenu materijala koji se koriste za katalizatore, pre svega cenu platine koja je nezaobilazan materijal za ovaj deo gorivne ćelije. Još jedan skup deo gorivne ćelije je i membrana (PEM – Proton Exchange Membrane). Takođe, veoma bitan aspekt rada gorivnih ćelija je i rukovanje vodom koja nastaje kao rezultat reakcije, a koja se delimično koristi za precizno hidriranje membrane i predstavlja jedan od kritičnih procesa u radu ćelije koji značajno utiče na njenu energetsku efikasnost.

Naravno, napredak na području gorivnih ćelija postoji, a jedno od imena koje se najčešće pominje na ovom polju je kompanija MTI Micro, poznata po svojim gorivnim ćelijama koje kao gorivo koriste metanol. Tehnologija Mobion koju koristi ova kompanija pokriva više od 80 patenata i nudi jedinstven pristup snabdevanju ćelije vodom bez potrebe za korišćenjem spoljnog izvora ove sirovine, što se postiže iskorišćavanjem vode nastale u procesu spajanja goriva i oksidansa. MTI Micro blisko sarađuje sa Samsungom, i sredinom juna je svom korejskom partneru isporučio novu generaciju gorivnih ćelija koje će se upotrebljavati u mobilnim telefonima. Prema šturim informacijama kompanija, ove ćelije su u stanju da isporuče 95 Wh, uz smanjenje dimenzija za oko 30% i težine za oko 20% u odnosu na prethodnu generaciju gorivnih ćelija.

Oblast u kojoj gorivne ćelije zasad mnogo brže napreduju jeste automobilska industrija, gde veliki broj vodećih svetskih kompanija intenzivno radi na njihovom korišćenju za pogon vozila. Autonomija prototipova automobila koji trenutno krstare svetskim drumovima iznosi 300–500 kilometara, a lideri u ovoj oblasti su Toyota, Honda i General Motors. Očekuje se da bi vozila koja za pogon koriste gorivne ćelije mogla da uđu u masovnu proizvodnju do 2010. godine.

• • •

Uprkos svim tehnološkim problemima koji se pominju kao prepreka omasovljenju nekih od opisanih rešenja, ipak se stiče jak utisak da je glavni razlog nedostatak volje proizvođača da postojeće profitabilne tehnologije zamene novim, manje profitabilnim, barem dok ne budu primorane na to. A nama ostaje da se nadamo da će taj dan uskoro doći...

Dejan STEFANOVIĆ