Когато водородният атом се лиши от електрона си, той се превръща в протон – йон или частица с положителен заряд. Това е най-леката и подвижна положително заредена частица във Вселената, която може да се използва за създаване на по-обемна и мощна батерия от литиево-йонната. Учените са натоварени със задачата да разработят по-добри електроди (аноди и катоди) за протонните батерии, с което да се откажем от използването на редкия, пожароопасен и скъп литий.

Изследователи от Австралия, представляващи катедрата по химия към Университета на Нов Южен Уелс (UNSW Chemistry) и Австралийската организация за ядрена наука и технологии (ANSTO) успешно разработиха и тестваха органичен материал, способен да съхранява протони и го използваха за създаване на презареждаща се протонна батерия в лабораторни условия.

Както отбелязват учените, в момента в света няма аноди и катоди с подходящи характеристики за използване в протонни батерии. За своята разработка те вземат за основа съединението тетрахлорбензохинон (TCBQ), което включва четири хлорни групи. Това съединение се състои от леки молекули, но има посредствен окислително-редукционен потенциал. От друга страна, за една батерия окислително-редукционният потенциал на анода трябва да бъде възможно най-отрицателен, за да се засили преносът на електрони, а на катода – възможно най-положителен. Следователно чистият TCBQ не е подходящ и неговата структура трябва да бъде модифицирана.

В хода на експериментите учените заменят четири хлорни групи с четири аминогрупи, превръщайки TCBQ в молекула на тетрааминобензохинон (TABQ). Добавянето на аминогрупите значително подобрило способността на анода да акумулира протони и намалило диапазона на окислително-редукционния му потенциал. Днес синтезът на TABQ остава скъп, но чрез използването на големи количества леки елементи икономическата ефективност на разработката ще стане оправдана в бъдеще.

„Ние създадохме нов материал с ниско молекулно тегло и голям капацитет за съхранение на протони. Използвайки този материал, ние успешно разработихме изцяло органична протонна батерия, която е ефективна както при стайна температура, така и при температури под нулата.“

твърдят авторите на изследването

Прототипът на протонната батерия издържа 3500 цикъла на пълно зареждане, последвани от пълно разреждане на капацитета си. Той също така демонстрира висок капацитет и стабилна работа при ниски температури, което го прави обещаващо решение за съхранение на енергия от възобновяеми източници.

„Електролитът в литиево-йонната батерия се състои от литиева сол и разтворител, който е лесно запалим и поражда сериозни опасения. В нашия случай и двата електрода са произведени от органични молекули, като между тях има воден разтвор, което прави нашата батерия лека, безопасна и достъпна.

пишат авторите

И накрая, но не по важност, новият материал (TABQ) решава проблема с безопасното транспортиране на водорода. Молекулярният водород е химически активен, докато под формата на йони той е в стабилна форма. Богатият на протони материал може да се транспортира безопасно до желаното място, без да се притеснения от изтичане на водород.