Tekuća električna baterija – neograničenog kapaciteta

Električna baterija koja se puni i prazni protokom elektrolita stara je tehnička zamisao. Evo je u novoj, vrlo uspjeloj izvedbi – zahvaljujući derivatima aromatskog ketona 9-fluorenona.

Nenad Raos subota, 29. svibnja 2021. u 06:00

Svaka se redoks reakcija može iskoristiti za dobivanje i pohranu električne energije. U ovoj je rečenici točna svaka riječ osim prve. Iako se sve električne baterije temelje na redoks reakcijama, svaka se redoks reakcija ipak ne može iskoristiti u električnoj bateriji. Reakcija mora prije svega biti takva da od reaktanta (atoma, iona ili molekule) oksidacijom (otpuštanjem elektrona) ili redukcijom (primanjem elektrona) nastaje samo jedan produkt, a to znači da pri radu baterije ne dolazi do neželjenih paralelnih reakcija. Drugi su zahtjevi tehnološke naravi. Reaktanti moraju sadržavati dovoljno energije, a usto moraju biti ekonomični, priređeni na jeftin način i od jeftinih sirovina te na kraju – zahtjev koji postaje sve važniji – reaktanti i produkti moraju biti prijateljski za okoliš, a to znači da se lako recikliraju te da nisu opasni za čovjeka i prirodu.

Svi su ti zahtjevi ispunjeni, rekao bih gotovo na čudesan način, u novoj vrsti baterije čije su osnove objavili američki i kineski znanstvenici u najnovijem broju časopisa Science pod naslovom „Reversible ketone hydrogenation and dehydrogenation for aqueous organic redox flow batteries“. Ukratko, da ne prevodim (jako kompliciran) naslov, riječ je o protočnoj redoks bateriji (redox flow battery, RFB) koja se osniva na redukciji („hydrogenation“) i oksidaciji („dehydrogenation“) organskih spojeva, u ovom slučaju na redukciji ketona u alkohole i oksidaciji alkohola u ketone. U naslovu je važno uočiti riječ „reversible“ jer ona kaže da je riječ o akumulatorskoj bateriji, ili – kako se danas voli reći – bateriji za punjenje.

Zamisao je stara i posve jednostavna. U običnim baterijama, primjerice litij-ionskim, reaktanti i produkti redoks reakcija nalaze se na elektrodama. Kod protočnih baterija (RFB) reaktanti i produkti nalaze se u elektrolitu. Zamisao je, rekoh, stara – jer već postoje takve baterije ali na bazi skupih i otrovnih vanadijevih soli – ali je realizacija nova. Nova je zahvaljujući novim kemijskim spojevima, derivatima 9-fluorenona (FL), aromatskog ketona čija se molekula sastoji samo od atoma ugljika, vodika i kisika.

Osnovni spoj, 9-fluorenon, nije topljiv u vodi. Da bi 9-fluorenon učinili topljivim, znanstvenici su atome vodika na benzenskim prstenima molekule zamijenili hidrofilnim skupinama (-OH, -COOH, -SO3H i dr.). Usto su, da bi postigli željeni iznos napona, uveli u molekulu funkcijske skupine, često iste kako i za prvu svrhu, koje odbijaju elektrone. Tako su dobili derivate osnovnog spoja, 9-fluorenona, različite topljivosti i redoks potencijala: dok 2,7-disulfonato-9-fluorenon (27SFL) ima topljivost u osnovnom elektrolitu (natrijevoj ili kalijevoj lužini) manju od 50 mmol/L, s najboljim derivatom, 4C7SFL (4-karboksi-7-sulfonato-9-fluorenon) postignuta je 30 puta veća topljivost – čak 1,5  mol/L (456 g/L). Kada se zna da svaka molekula FL ili njegovih derivata može primiti dva elektrona, dolazimo do teoretskog kapaciteta od 80 Ah/L.

Drugi zahtjev, zahtjev stabilnosti, također je ispunjen. U četiri mjeseca rada, pri čemu je provedeno 111 ciklusa punjenja i pražnjenja, baterija je izgubila samo 2,6 % kapaciteta. Lijep rezultat, no – čitatelj će primijetiti – daleko je to još od primjene. Možda jest, ali već se sada vidi kakva bi to baterija bila.

Baterija bi se nabijala dovođenjem elektrona na katodu koji bi reducirali 4C7SFL (ako se ne pronađe još bolji derivat 9-fluorenona) u odgovarajući alkohol,  4C7SFL-OH. Pri pražnjenju baterije događalo bi se obratno:  alkohol (4C7SFL-OH) bi se oksidirao u keton, 4C7SFL. Sve u svemu, bio bi to kemijski izvor električne energije koji ne bi sadržavao opasne kemikalije (posebice teške metale) i koji bi usto neovisno o veličini imao beskonačan kapacitet. To kažem zato što se u protočnim baterijama elektrolit (reaktant) drži u spremnicima bilo koje veličine, a možda dođe i vrijeme kada će se energija, u obliku otopine 4C7SFL-OH, prenositi cjevovodima.

Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir i, naravno, BUG online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a sada je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.



True Premium TW slušalice

AUDIO-TECHNICA ATH-CKR7TWBK

15 h slušanja s kutijom za punjenje, frekvencijski odziv 5 – 45000 Hz, osjetljivost 102 dB/mW, osjetljivost mikrofona: -38 dB

1.499 kn 1.890 kn Kupi

Analogno integrirano stereo pojačalo

NAD C316 BEE

Detaljan i prirodan zvuk, 2x40W, dinamički 2x100W, 6x RCA ulaz, ulaz za slušalice, WhatHiFi 4/5

2.599 kn 2.999 kn Kupi