Miniaturizarea pilelor cu combustibil, o revolu]ie în domeniul bateriilor acumulatoare MAIOR DR. GABRIEL ACHIM ASIST.UNIV. SIMONA RADU Bateriile constau dintr-un numãr de pile electrice conectate între ele, de obicei pentru a produce un voltaj (tensiune electricã) mai mare decât o singurã pilã electricã. În mod greºit, unii numesc baterii ºi pilele electrice simple. Broaºtele moarte au condus la inventarea pilelor ºi bateriilor electrice. În 1786, omul de ºtiinþã italian Luigi Galvani a descoperit cã broaºtele disecate se contractau când le atingea cu bisturiul sãu. Apoi, din întâmplare, el a descoperit cã picioarele puteau fi fãcute sã se miºte doar prin atingerea lor de metal. Galvani era pus în încurcãturã în ceea ce privea natura acestui fenomen, ºi sursa lui. Rãspunsul a fost dat în anii 1790 de omul de ºtiinþã italian Alessandro Volta. Picioarele broaºtelor se contractaserã deoarece lichidele din interiorul lor reacþionau la contactul cu douã metale diferite: alama ºi fierul. Aceastã combinaþie forma o pilã electricã simplã ºi curentul produs de aceasta fãcea sã se contracte muºchii picioarelor broaºtei. Volta a fãcut apoi o pilã electricã punând o hârtie umedã între discuri de cupru ºi zinc. Aceastã pilã era extrem de slabã, dar Volta a conceput curând pile ºi baterii practice. Una dintre baterii consta dintr-o coloanã de pile electrice fãcute din plãci de zinc ºi argint, cu separatoare de hârtie îmbibate în saramurã. Acest tip de baterie se numea pilã voltaicã. 201
Tehnicã militarã ºi armament Cum funcþioneazã celulele? Dupã Volta, s-au inventat multe forme similare de pile electrice. Acum se folosesc substanþe variate pentru plãci, sau electrozi, ºi pentru soluþie, sau electrolit. Pila electricã funcþioneazã prin transformarea energiei chimice în energie electricã. Electrolitul emite ioni (atomi sau grupuri de atomi încãrcaþi electric) care sunt atraºi de electrozi. Un electrod atrage ionii încãrcaþi negativ, care au un surplus de electroni. Celãlalt electrod atrage ionii încãrcaþi pozitiv, care au o deficienþã de electroni. Când se conecteazã un circuit conductor între plãci, electronii curg prin circuit de la electrodul negativ la cel pozitiv. Acest flux formeazã un curent electric. Pila cu combustibil Pila cu combustibil este un generator electrochimic ce foloseºte drept sursã de energie hidrogenul. Cine nu s-a lovit de inconvenientul, mai ales la telefonul mobil, de a i se descãrca bateria ºi a rãmâne în mijlocul unei conversaþii? Tocmai în aceasta constã revoluþia din acest domeniu, pila cu combustibil are o autonomie de cinci ori mai mare decât a celei mai performante baterii acumulator litiu-ion ºi se reîncarcã în câteva secunde. Deci autonomia unui telefon mobil va depãºi o lunã, iar în ceea ce priveºte reîncãrcarea, aceasta este foarte simplã ºi constã în înlocuirea unui mic cartuº (ca ºi la stilourile cu rezervor). Diferenþa faþã de o baterie acumulator constã în faptul cã pila conþine un mic generator, în interiorul cãruia printr-o reactie electrochimicã sunt smulºi electroni atomilor de hidrogen flux de electroni ce genereazã curent electric. Prin urmare, pila nu se descarcã atâta timp cât combustibilul este disponibil, iar reumplerea rezervorului dureazã doar câteva secunde, faþã de bateria clasicã, la care reîncãrcarea dureazã câteva ore, în plus nu este nevoie de o sursã de curent pentru aceasta. Cea mai bunã piaþã de desfacere pentru acest tip de baterii a oferit-o telefonia mobilã, deoarece puterea cu care se opereazã este micã (între 1 ºi 10 waþi) iar cererea este imensã (peste 800 milioane de baterii pentru telefoanele mobile sunt produse anual). Cercetãrile în acest domeniu sunt relativ recente, astfel, primele pile cu combustibil miniaturizate au fost dezvoltate de cãtre cercetãrorii japonezi în anul 2005 sub denumirea de DMFC (Direct Methanol Fuel Cell) ce foloseau drept combustibil metanolul (alcoolul metilic). Inconvenientul constã 202 www.rft.forter.ro
Miniaturizarea pilelor cu combustibil în faptul cã metanolul are un randament de 10 ori mai mic decat hidrogenul, ceea ce duce la o creºtere a suprafeþei reactive (pentru 20 Mw/cm 2 este necesarã o suprafaþã reactivã de 50 cm 2 ), ºi, implicit, a volumului pilei. În decursul acestui an cercetãtorii francezi au reuºit sã micºoreze aceastã suprafaþã, reducând dimensiunile pilei la aceea a unei monede (2 cm 2 cu o grosime de 0,5 mm). Acest fapt a fost posibil prin folosirea hidrogenului drept combustibil ºi prin schimbarea metodei de fabricare a pilei. Astfel, s-au folosit drept suport pentru catalizatorul de platinã poroasã siliciul, iar pentru a se crea microcanale ºi nanopori pe suprafaþa ºi în masa acestuia s-au folosit tehnici utilizate la producerea microprocesoarelor. Acest tip de pilã a fost denumit PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Principalul dezavantaj al acestui tip de pilã consta în faptul cã hidrogenul combustibil este greu ºi totodatã periculos sã fie stocat în bateria telefonului, dar acest inconvenient a fost rezolvat prin producerea hidrogenului direct în interiorul bateriei, în cantitãþi foarte mici direct din apã, folosindu-se borohidrurã de sodiu (NaBH 4 ). Prin urmare, noul tip de baterie se compune dintr-un rezervor cu borohidrurã de sodiu în care este injectatã apã sub presiune, producându-se astfel hidrogen, iar acesta este captat ºi direcþionat pe pila cu combustibil. În interiorul pilei, în contact cu catalizatorul de platinã poroasã, atomul de hidrogen este descompus în proton ºi electron. Protonul traverseazã membrana de separaþie din catalizator, în timp ce electronul este forþat sã parcurgã un circuit electric, astfel generându-se un curent electric. Protonul ºi electronul se regãsesc apoi de cealaltã parte a membranei, unde reacþioneazã cu oxigenul din aer, rezultând astfel apã. Micropila cu hidrogen dã o densitate energeticã de 800 Wh/kg, mult superioarã celei mai performante baterii litiu-ion ce dezvoltã o densitate energeticã de doar 200 Wh/kg. Un alt domeniu în care se prevede a fi folosite pilele cu combustibil este cel al calculatoarelor portabile (laptop). În acest caz, singurele care pot face faþã sunt pilele cu metanol deoarece dezvoltã o putere mult mai mare decat cea a pilelor cu hidrogen (20w faþã de aproape 10w la hidrogen). IBM ºi Sanyo au pus deja la punct prototipuri ce dezvoltã o autonomie de peste opt ore. Acest tip de baterii ar fi utile ºi în domeniul militar, mai ales pentru a înlocui anumite baterii acumulator, þinând cont de faptul cã se încearcã dezvoltarea pilelor cu combustibil ºi pentru automobile. Bibliografie: 1. C.D. Neniþescu, Chimie generalã, Editura Didacticã ºi Pedagogicã, Bucureºti, 1974. 2. Frederic Texier, Pile a combustible, Science et vie nr. 1067/2006. 3. Gale Group, Encyclopedia of Science, 3 rd Edition vol 1. 203
Tehnicã militarã ºi armament modul de încãrcare a unei pile cu hidrogen 204 www.rft.forter.ro
Miniaturizarea pilelor cu combustibil hidrogen e e aer anod catod aer + apã electrolit H 2 2H + +2e - O 2 + 4H + +4e - 2H 2 O principiul ºi modul de funcþionare al pilei cu hidrogen placã de generator electrochimic cu microcanale pilã cu combustibil pentru laptop 205