Вместо аккумулятора новая концепция представляет собой своего рода топливный элемент, который похож на аккумулятор, но может быть быстро заправлен, а не подзаряжен. В данном случае топливом является жидкий металлический натрий, недорогой и широко доступный товар. С другой стороны ячейки находится обычный воздух, который служит источником атомов кислорода. Промежуточный слой из твердого керамического материала служит электролитом, позволяя ионам натрия свободно проходить через него, а пористый электрод, обращенный к воздуху, помогает натрию вступать в химическую реакцию с кислородом и вырабатывать электричество.

В серии экспериментов с прототипом устройства исследователи продемонстрировали, что этот элемент может передавать более чем в три раза больше энергии на единицу веса, чем литий-ионные аккумуляторы, используемые сегодня практически во всех электромобилях. Их выводы публикуются сегодня в журнале Joule в статье докторантов Массачусетского технологического института Карен Сугано, Сунила Мэйра и Саахира Ганти-Агравала; профессора материаловедения и инженерии Йет-Мин Чианга; и пяти других.

"Мы ожидаем, что люди подумают, что это совершенно безумная идея", - говорит Чианг, профессор керамики Kyocera. "Если бы они этого не сделали, я был бы немного разочарован, потому что если люди поначалу не думают, что что-то совершенно безумное, то, вероятно, это не будет таким уж революционным".

И эта технология, по-видимому, действительно обладает потенциалом стать весьма революционной, предполагает он. В частности, для авиации, где вес особенно важен, такое повышение плотности энергии могло бы стать прорывом, который, наконец, сделает полеты на электрическом приводе практичными в значительных масштабах.

"Порог, который действительно необходим для реалистичной электрической авиации, составляет около 1000 ватт-часов на килограмм", - говорит Чианг. Мощность современных литий-ионных аккумуляторов для электромобилей составляет около 300 ватт-часов на килограмм - далеко не то, что необходимо. По его словам, даже при 1000 ватт-часах на килограмм этого было бы недостаточно для осуществления трансконтинентальных или трансатлантических перелетов.

Это все еще недостижимо для любого известного химического состава аккумуляторов, но Чианг говорит, что достижение 1000 ватт на килограмм стало бы перспективной технологией для региональной электрической авиации, на долю которой приходится около 80 процентов внутренних рейсов и 30 процентов выбросов от авиации.

Эта технология могла бы стать стимулом и для других секторов, включая морской и железнодорожный транспорт. "Все они требуют очень высокой плотности энергии, и все они требуют низкой стоимости", - говорит он. "И это то, что привлекло нас к металлическому натрию".

За последние три десятилетия было проведено большое количество исследований по разработке литий-воздушных или натриево-воздушных аккумуляторов, но было трудно сделать их полностью перезаряжаемыми. "Люди очень давно знали о плотности энергии, которую можно получить с помощью металловоздушных аккумуляторов, и это было чрезвычайно привлекательно, но просто никогда не реализовывалось на практике", - говорит Чианг.

Используя ту же базовую электрохимическую концепцию, только превратив ее в топливный элемент вместо батареи, исследователи смогли практически использовать преимущества высокой плотности энергии. В отличие от батареи, материалы которой собираются один раз и запечатываются в контейнер, в топливном элементе материалы, несущие энергию, поступают внутрь и выходят наружу.

Команда разработала две разные версии лабораторного прототипа системы. В одном из них, называемом H-элементом, две вертикальные стеклянные трубки соединены посередине трубкой, которая содержит твердый керамический электролит и пористый воздушный электрод. Жидкий металлический натрий заполняет трубку с одной стороны, а воздух проходит через другую, обеспечивая кислород для электрохимической реакции в центре, которая в конечном итоге постепенно расходует натриевое топливо. В другом прототипе используется горизонтальная конструкция с поддоном из электролитического материала, в котором находится жидкое натриевое топливо. Пористый воздушный электрод, который облегчает реакцию, прикреплен ко дну лотка.

По словам Чанга, испытания с использованием воздушного потока с тщательно контролируемым уровнем влажности показали уровень почти 1700 ватт-часов на килограмм на уровне отдельного "пакета", что в пересчете на более чем 1000 ватт-часов на уровне всей системы.

Исследователи предполагают, что для использования этой системы в самолете в топливные элементы будут вставлены топливные пакеты, содержащие стопки элементов, наподобие стеллажей с подносами для еды в кафетерии; металлический натрий внутри этих пакетов химически преобразуется, поскольку он обеспечивает питание. Выделяется поток его химического побочного продукта, и в случае самолета он будет выбрасываться в заднюю часть, подобно выхлопу реактивного двигателя.

Но есть очень большая разница: не было бы выбросов углекислого газа. Вместо этого выбросы, состоящие из оксида натрия, фактически поглощали бы углекислый газ из атмосферы. Это соединение быстро соединяется с влагой в воздухе, образуя гидроксид натрия - материал, обычно используемый в качестве очистителя канализации, - который легко соединяется с углекислым газом с образованием твердого вещества, карбоната натрия, который, в свою очередь, образует бикарбонат натрия, иначе известный как пищевая сода.

"Существует естественный каскад реакций, который происходит, когда вы начинаете с металлического натрия", - говорит Чианг. - Все это происходит спонтанно. Нам не нужно ничего делать, чтобы это произошло, мы просто должны управлять самолетом".

В качестве дополнительного преимущества, если конечный продукт, бикарбонат натрия, попадет в океан, это может помочь раскислить воду, противодействуя еще одному вредному воздействию парниковых газов.

Использование гидроксида натрия для улавливания углекислого газа было предложено в качестве способа снижения выбросов углекислого газа, но само по себе это неэкономичное решение, поскольку соединение слишком дорогое. "Но здесь это побочный продукт", - объясняет Чианг, поэтому он, по сути, бесплатный и приносит пользу окружающей среде без каких-либо затрат.

Важно отметить, что новый топливный элемент по своей сути безопаснее многих других аккумуляторов, говорит он. Металлический натрий обладает чрезвычайно высокой реакционной способностью и должен быть хорошо защищен. Как и в случае с литиевыми батареями, натриевые могут самопроизвольно воспламеняться при воздействии влаги. "Всякий раз, когда у вас есть батарея с очень высокой плотностью энергии, безопасность всегда вызывает беспокойство, потому что при разрыве мембраны, разделяющей два реагента, может произойти бурная реакция", - говорит Чианг. Но в этом топливном элементе одна сторона - это просто воздух", который разрежен и ограничен. Таким образом, у вас нет двух концентрированных реагентов прямо рядом друг с другом. Если вы стремитесь к действительно высокой плотности энергии, вы бы предпочли использовать топливный элемент, а не батарею, по соображениям безопасности".

Хотя устройство пока существует только в виде небольшого прототипа с одной ячейкой, Чианг говорит, что система должна быть довольно простой в масштабировании до практических размеров для коммерциализации. Члены исследовательской группы уже создали компанию Propel Aero для разработки этой технологии. В настоящее время компания размещается в стартап-инкубаторе Массачусетского технологического института The Engine.

Производство достаточного количества металлического натрия для обеспечения широкого, полномасштабного глобального внедрения этой технологии должно быть практичным, поскольку этот материал ранее производился в больших масштабах. Когда этилированный бензин был нормой, до его поэтапного отказа от него, металлический натрий использовался для получения тетраэтилсвинца, используемого в качестве добавки, и его производили в США мощностью 200 000 тонн в год. "Это напоминает нам о том, что металлический натрий когда-то производился в больших масштабах, с ним безопасно обращались и распространяли по всей территории США", - говорит Чианг.

Более того, натрий в основном получают из хлорида натрия, или соли, поэтому он в изобилии, широко распространен по всему миру и легко извлекается, в отличие от лития и других материалов, используемых в современных аккумуляторах EV.

Система, которую они предполагают, будет использовать многоразовый картридж, который будет заполнен жидким металлическим натрием и герметизирован. Когда он истощится, его вернут на станцию заправки и заправят свежим натрием. Натрий плавится при температуре 98 градусов Цельсия, что чуть ниже точки кипения воды, поэтому его легко нагреть до температуры плавления для заправки картриджей.

Первоначально план состоит в том, чтобы создать топливный элемент размером с кирпич, который может вырабатывать около 1000 ватт-часов энергии, достаточной для питания большого беспилотника, чтобы доказать концепцию в практической форме, которую можно было бы использовать, например, в сельском хозяйстве. Команда надеется подготовить такую демонстрацию в течение следующего года.

Сугано, которая провела большую часть экспериментальной работы в рамках своей докторской диссертации и теперь будет работать в стартапе, говорит, что ключевым моментом стало понимание важности влажности в процессе. Когда она протестировала устройство с чистым кислородом, а затем с воздухом, она обнаружила, что уровень влажности в воздухе имеет решающее значение для эффективности электрохимической реакции. Влажный воздух привел к тому, что натрий выделял свои продукты в жидкой, а не твердой форме, что значительно облегчало их удаление потоком воздуха через систему. "Ключевым моментом было то, что мы можем сформировать этот жидкий продукт выделения и легко удалить его, в отличие от твердых выделений, которые образовались бы в сухих условиях", - говорит она.

Ганти-Агравал отмечает, что команда черпала знания из множества различных инженерных областей. Например, было проведено много исследований по высокотемпературному натрию, но ни одно из них не касалось системы с регулируемой влажностью. "Мы опираемся на исследования топливных элементов с точки зрения проектирования нашего электрода, мы опираемся на более старые исследования высокотемпературных аккумуляторов, а также на некоторые зарождающиеся исследования натриево-воздушных аккумуляторов и как бы смешиваем их воедино", что привело к "значительному повышению производительности", которого добилась команда, он говорит.

В исследовательскую группу также входили Олден Фризен, летний стажер Массачусетского технологического института, который посещает среднюю школу Дезерт Маунтин в Скоттсдейле, штат Аризона; Кайлаш Раман и Уильям Вудфорд из Form Energy в Сомервилле, штат Массачусетс; Шашанк Шрипад из Battery Aero в Калифорнии и Венкатасубраманьян Вишванатан из Мичиганского университета. Работа была поддержана ARPA-E, Breakthrough Energy Ventures и Национальным научным фондом, а также использовалось оборудование MIT.nano.