Jepun Membangunkan Bateri Hidrogen 90 C untuk Penyimpanan Lebih Selamat dan Cekap

Mengapa bateri hidrogen 90 C penting sekarang

Para penyelidik di Jepun telah memperkenalkan bateri hidrogen yang menyimpan dan membebaskan hidrogen pada kira-kira 90 C, atau 194 F. Suhu operasi ini jauh lebih rendah berbanding 300 hingga 400 C yang lazimnya diperlukan oleh sistem penyimpanan hidrogen pepejal berasaskan magnesium hidrida. Hasil ini menangani bahagian paling mencabar dalam sistem tenaga hidrogen, iaitu penyimpanan yang cekap, boleh diterbalikkan, serta boleh dipercayai dan selamat. Pasukan di Institute of Science Tokyo, diketuai Dr. Takashi Hirose bersama Penolong Profesor Naoki Matsui dan Profesor Institut Ryoji Kanno di Pusat Penyelidikan Bateri Keadaan Pepejal Sepenuhnya, Science Tokyo, melaporkan kemajuan itu dalam jurnal Science bertarikh 18 September 2025.

Hidrogen boleh memindahkan tenaga merentasi masa dan tempat tanpa mengeluarkan karbon dioksida ketika digunakan. Namun, penyimpanannya sekian lama menjadi titik sukar. Tangki yang menakung gas termampat berat dan mahal, manakala hidrogen cecair memerlukan suhu kriogenik hampir minus 253 C. Sistem penyimpanan pepejal praktikal yang beroperasi hampir pada takat didih air akan mengubah pilihan reka bentuk bagi kenderaan, loji industri dan penyimpanan tenaga boleh baharu. Sel baharu ini menggunakan magnesium hidrida sebagai medium penyimpanan dan elektrolit pepejal khas yang mengalirkan ion hidrida, sekali gus membolehkan kitaran kapasiti penuh pada suhu yang mampu dikendalikan oleh peralatan sebenar.

Apa yang dibina oleh para penyelidik

Peranti ini ialah sel elektrokimia yang menggunakan hidrogen sebagai pembawa cas aktif. Magnesium hidrida, ditulis sebagai MgH2, berfungsi sebagai anod tempat hidrogen disimpan. Gas hidrogen pula menjadi katod. Di antara kedua-duanya terdapat elektrolit pepejal yang direka baharu, yang mengalirkan ion hidrida dengan pantas walaupun pada suhu bilik. Komposisi elektrolit, Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, mempunyai struktur kristal jenis anti alpha AgI yang diketahui menunjukkan kelakuan superionik, sekali gus menyediakan laluan mudah untuk ion hidrida bergerak melalui pepejal itu.

Cara sel dicas dan dinyahcas

Semasa pengecasan, anod membebaskan ion hidrida daripada MgH2. Ion tersebut bergerak melalui elektrolit pepejal ke arah elektrod hidrogen, lalu dioksidakan untuk membentuk gas hidrogen. Semasa nyahcas, gas hidrogen di katod diturunkan menjadi ion hidrida. Ion ini bergerak kembali melalui elektrolit ke bahagian anod, tempat ia bertindak balas dengan magnesium untuk membentuk semula MgH2. Proses ini boleh diterbalikkan sepenuhnya, maka bahan yang sama boleh menyimpan hidrogen dan membebaskannya berulang kali pada kira-kira 90 C tanpa memerlukan haba melampau.

Dari sudut elektrokimia, sel ini menggantikan gambaran lazim yang hanya melibatkan elektron dengan mekanisme yang turut melibatkan hidrogen secara langsung. Voltan dan arus yang dikenakan semasa pengecasan dan nyahcas menggerakkan ion hidrida. Kawalan ini menggantikan input haba secara paksa yang diperlukan oleh banyak kaedah penyimpanan terma, sekali gus mengurangkan kehilangan tenaga dan memudahkan reka bentuk sistem.

Mengapa penyimpanan hidrogen sukar

Tekanan dalam tangki hidrogen termampat lazimnya mencecah 350 hingga 700 bar. Kerja pemampatan mengurangkan kecekapan bersih, manakala tangki menambah berat dan kos bagi sebarang kegunaan mudah alih. Hidrogen cecair mengelakkan keperluan tangki besar tetapi membawa cabaran tersendiri. Hidrogen mesti disejukkan di bawah 21 K untuk dicairkan, yang memerlukan peralatan kriogenik yang menggunakan banyak tenaga. Kehilangan akibat penyejatan berterusan menjadi cabaran, terutama dalam persekitaran panas dan semasa penggunaan perlahan.

Bahan pepejal menawarkan pilihan lain. Bahan ini boleh menyimpan hidrogen dalam bentuk padat pada tekanan rendah. Banyak hidrida yang paling banyak dikaji hanya membebaskan hidrogen apabila dipanaskan ke suhu yang sangat tinggi. Input haba menjadikan sistem rumit dan mengurangkan kecekapan pergi balik. Pendekatan elektrokimia pada suhu lebih rendah yang menggunakan elektrolit cecair menghadapi kesukaran kerana ion hidrida tidak bergerak dengan baik dalam cecair yang direka untuk bateri litium atau natrium. Akibatnya, kapasiti yang dicapai jauh lebih rendah berbanding jumlah yang boleh disimpan oleh pepejal secara teori. Pasukan Jepun mengatasi kekangan pengangkutan ini dengan beralih kepada bahan pepejal yang direka untuk menggerakkan ion hidrida dengan pantas.

Di dalam elektrolit pepejal baharu

Elektrolit ini ialah pengalir ion hidrida dengan rangka jenis anti alpha AgI. Dalam struktur ini, barium, kalsium dan natrium menduduki kedudukan yang membentuk rangkaian tapak dan saluran. Ion hidrida boleh melompat antara tapak tetrahedron dan oktahedron dengan sedikit rintangan, menghasilkan kekonduksian ion yang tinggi walaupun pada suhu bilik. Pergerakan pantas inilah yang membolehkan sel magnesium hidrida beroperasi pada 90 C.

Selain kelajuan, bahan ini menunjukkan kestabilan elektrokimia. Elektrolit pepejal mencegah masalah percampuran dan tindak balas sampingan yang boleh menjejaskan sistem cecair. Pemisah pepejal mengasingkan elektrod hidrogen daripada magnesium hidrida sambil membenarkan ion hidrida melaluinya. Susunan ini menyokong kitaran berulang yang konsisten dan mengurangkan risiko keselamatan berkaitan kebocoran atau kemeruapan. Komposisi ini boleh ditala dengan mengubah nisbah barium, kalsium dan natrium, sekali gus membuka ruang penyelidikan untuk meningkatkan kekonduksian, kestabilan dan kebolehkilangan.

Prestasi dan maksud angka

Prototaip itu mencapai kapasiti penyimpanan teori penuh magnesium hidrida, kira-kira 2,030 miliampere jam per gram, bersamaan 7.6 peratus hidrogen mengikut berat. Angka itu merupakan sasaran tinggi bagi medium penyimpanan hidrogen yang praktikal. Pencapaian ini oleh sel yang beroperasi hampir pada 90 C menandakan perubahan besar kerana ia menggabungkan kapasiti tinggi dengan julat operasi yang boleh direalisasikan dari sudut kejuruteraan.

Kuncinya ialah elektrolit ini menyokong pergerakan pantas ion hidrida pada suhu bilik. Sel itu hanya memerlukan pemanasan sederhana untuk memastikan tindak balas kinetik magnesium hidrida terus berlaku tanpa membazirkan tenaga. Suhu di bawah 100 C memudahkan penggunaan pemanas, penebat, pengedap dan langkah keselamatan berbanding sistem yang memerlukan beberapa ratus darjah Celsius. Haba operasi yang lebih rendah juga memudahkan penyepaduan terma. Haba buangan daripada tindanan sel bahan api atau enjin boleh membantu mengekalkan sel penyimpanan dalam julat operasinya.

Kebolehan kitaran terbalik penting untuk kegunaan sebenar. Pasukan itu melaporkan penyimpanan dan pembebasan berulang pada kapasiti penuh dalam suhu rendah, sesuatu yang tidak dicapai oleh kaedah terma atau elektrolit cecair terdahulu. Gabungan ketumpatan tenaga tinggi, suhu lebih rendah dan kitaran berulang inilah yang mengangkat idea ini daripada sekadar keingintahuan makmal kepada platform yang boleh disepadukan oleh pembangun ke dalam kenderaan atau peralatan penyimpanan pegun.

Kegunaan berpotensi daripada kenderaan hingga penyimpanan grid

Kenderaan sel bahan api hidrogen memerlukan sistem penyimpanan padat yang selamat, ringan dan cekap. Sistem penyimpanan pepejal yang beroperasi hampir pada takat didih air boleh mengurangkan sebahagian beban tangki tekanan tinggi. Modul bateri hidrogen boleh dicas di stesen dengan menyerap hidrogen yang dihasilkan di lokasi, kemudian membebaskan gas mengikut keperluan untuk membekalkan tindanan sel bahan api. Reka bentuk pepejal boleh balik ini mengurangkan keperluan sistem kriogenik yang rumit atau sistem bertekanan sangat tinggi, sekali gus berpotensi mengurangkan kos dan memberikan lebih banyak pilihan susun atur untuk kereta, trak dan bas.

Bagi sektor tenaga, bateri hidrogen sesuai digandingkan dengan sumber yang bekalannya berubah-ubah. Kuasa solar atau angin boleh menggerakkan elektroliser untuk menghasilkan hidrogen ketika bekalan elektrik banyak. Bateri hidrogen boleh menyerap dan menyimpan gas pada tekanan rendah, kemudian membebaskannya kepada sel bahan api atau turbin ketika permintaan puncak atau pengeluaran tenaga boleh baharu rendah. Pendekatan ini sesuai untuk grid mikro, sistem terpencil dan kemudahan jauh yang tidak praktikal menggunakan ladang tangki besar.

Pengguna industri memerlukan bekalan hidrogen yang boleh diharap dan fleksibel. Pengeluaran keluli, penghasilan ammonia dan operasi penapisan minyak memerlukan aliran yang stabil untuk memastikan proses berjalan lancar. Bank penyimpanan pepejal modular menyediakan penimbal yang boleh menyerap turun naik bekalan dan pengeluaran jangka pendek. Operasi pada suhu lebih rendah dan binaan pepejal boleh memudahkan penempatan di dalam loji serta mengurangkan halangan kelulusan berbanding penyimpanan kriogenik.

Cabaran kejuruteraan dan peningkatan skala

Mengekalkan suhu sel hampir pada 90 C lebih mudah berbanding beroperasi pada 300 C, namun pengurusan terma masih diperlukan. Pereka perlu menambah pemanas, penebat dan logik kawalan untuk mengekalkan suhu dalam iklim sejuk serta mencegah pemanasan lampau dalam keadaan panas. Perubahan suhu mendadak semasa pengecasan dan nyahcas pantas perlu dikendalikan dengan teliti supaya bahan tidak retak atau merosot.

Bahan dan pembuatan juga penting. Elektrolit ini ialah hidrida berbilang komponen yang sensitif terhadap oksigen dan kelembapan. Penghasilan serbuk dengan nisbah stoikiometri, saiz zarah dan ketulenan yang tepat, kemudian membentuk pemisah padat tanpa kecacatan, memerlukan persekitaran terkawal dan kawalan mutu. Magnesium hidrida bertindak balas dengan air dan oksigen, maka reka bentuk pek perlu menghalang udara dan kelembapan daripada masuk. Ketahanan mekanikal ketika perubahan isipadu semasa kitaran juga perlu diuji kerana hidrida mengembang dan mengecut. Pembangun akan mengusahakan salutan, pengikat dan kawalan tekanan tindanan untuk memastikan rintangan kekal rendah dan jangka hayat panjang.

Penyepaduan sistem membawa persoalan keselamatan hidrogen yang lazim. Perkakasan pengurusan gas perlu mencegah kebocoran dan melepaskan gas dengan selamat. Penderia, injap dan pengawal tekanan mesti berfungsi bersama tindanan penyimpanan pepejal supaya keseluruhan sistem mematuhi kod dan piawaian. Saiz, berat dan kos akan menentukan potensi penggunaannya dalam kenderaan. Bagi aplikasi pegun, sistem sokongan loji, daripada elektroliser hingga sel bahan api dan elektronik kuasa, mesti disesuaikan untuk mencapai kecekapan pergi balik yang mengatasi pilihan lain. Projek perintis pada skala yang semakin besar penting untuk mengenal pasti prestasi jangka panjang dan keperluan penyelenggaraan.

Perbandingan dengan pilihan penyimpanan lain

Sistem gas termampat ringkas tetapi menanggung penalti tenaga akibat pemampatan dan memerlukan tangki kukuh yang berat. Hidrogen cecair menyimpan tenaga dengan padat tetapi memerlukan peralatan kriogenik dan pengendalian teliti untuk mengelakkan kehilangan akibat penyejatan. Bateri hidrogen mengubah imbangan pertukaran itu. Ia menggunakan haba sederhana dan elektrik untuk menggerakkan ion hidrida serta menyimpan hidrogen dalam pepejal berkapasiti tinggi. Ketiadaan perkakasan kriogenik dan bekas tekanan sangat tinggi boleh memudahkan penilaian keselamatan dan mengurangkan beban tambahan.

Bahan penyimpanan pepejal lain, seperti hidrida kompleks termasuk alanat atau borohidrida, sering memerlukan pemangkin dan masih beroperasi pada suhu tinggi dengan kinetik yang perlahan. Magnesium hidrida pula ringan dan banyak terdapat. Apabila digandingkan dengan pengalir ion hidrida yang pantas, langkah yang mengehadkan kadar tindak balas berubah. Elektrolit mengendalikan pengangkutan ion, sementara haba sederhana membantu proses kimia pembebasan dan penyerapan hidrogen. Pembahagian fungsi inilah yang membolehkan kapasiti penuh dicapai pada suhu yang mudah digunakan.

Perkara yang perlu diperhatikan pada fasa seterusnya

Pengulangan hasil secara bebas dan peningkatan skala melebihi sel makmal kecil akan menjadi pencapaian seterusnya. Sel dan tindanan berformat lebih besar perlu menunjukkan kapasiti dan kebolehan kitaran terbalik yang sama, selain operasi stabil merentasi ratusan atau ribuan kitaran. Keupayaan kadar semasa pengecasan dan nyahcas pantas, tindak balas terhadap penggunaan mula-henti serta keselamatan dalam keadaan penyalahgunaan akan dipantau rapi oleh industri.

Laluan pengkomersialan sering bergantung pada kerjasama. Pengeluar automotif, pembangun tenaga dan pembekal gas industri akan menilai kos bagi setiap kilogram hidrogen yang disimpan, kecekapan tenaga sistem sepanjang pengecasan dan nyahcas, serta keperluan penyelenggaraan. Jika kaedah pembuatan elektrolit dan perkakasan pek dapat diseragamkan serta jangka hayat kitaran terbukti kukuh, teknologi ini boleh beralih kepada pelaksanaan projek perintis yang menggandingkan elektroliser, modul bateri hidrogen dan sel bahan api dalam keadaan sebenar.

Perkara Utama

• Penyelidik Jepun melaporkan bateri hidrogen yang beroperasi pada kira-kira 90 C, jauh lebih rendah berbanding sistem magnesium hidrida terdahulu yang memerlukan 300 hingga 400 C.
• Sel ini menggunakan magnesium hidrida sebagai anod, gas hidrogen sebagai katod dan elektrolit pepejal yang mengalirkan ion hidrida dengan pantas.
• Elektrolit, Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, mempunyai struktur jenis anti alpha AgI yang membolehkan kekonduksian ion tinggi pada suhu bilik.
• Ujian mencapai kapasiti teori penuh magnesium hidrida, kira-kira 2,030 mAh per gram, bersamaan 7.6 peratus hidrogen mengikut berat.
• Operasi di bawah 100 C mengurangkan kehilangan tenaga dan memudahkan pengurusan terma, pengedap serta langkah keselamatan berbanding sistem bersuhu tinggi.
• Kitaran boleh balik ini menyimpan dan membebaskan hidrogen berulang kali tanpa haba melampau yang diperlukan oleh kaedah terma konvensional.
• Kegunaan berpotensi termasuk modul penyimpanan kenderaan, penyimpanan tenaga berskala grid yang digandingkan dengan elektroliser dan penimbal industri.
• Cabaran utama termasuk pengurusan terma, perlindungan daripada udara dan kelembapan, jangka hayat kitaran, kebolehkilangan dan penyepaduan sistem.
• Kerja ini diketuai Dr. Takashi Hirose bersama Penolong Profesor Naoki Matsui dan Profesor Institut Ryoji Kanno di Institute of Science Tokyo.
• Penemuan itu diterbitkan dalam Science pada 18 September 2025 dan seterusnya akan menjalani ujian pengulangan serta peningkatan skala.