Forskare från RMIT University i Melbourne, Australien har för första gången visat ett fungerande laddningsbart "protonbatteri" som kan leda om hur vi driver våra hem, fordon och anordningar.

Det laddningsbara batteriet är miljövänligt, och har potential, med vidareutveckling, för att lagra mer energi än för närvarande tillgängliga litiumjonbatterier.

Potentiella tillämpningar för protonbatteriet inkluderar hushållslagring av el från solcellspaneler, som görs för närvarande av Tesla 'Power wall' med litiumjonbatterier.

Med vissa ändringar och uppskalning, protonbatteriteknologi kan också användas för medelstor lagring på elnät - - som det gigantiska litiumbatteriet i södra Australien - samt för att driva elfordon.

Den fungerande prototypen protonbatteri använder en kolelektrod som ett väteförråd, tillsammans med en reversibel bränslecell för att producera el.

Det är kolelektroden plus protoner från vatten som ger protonbatteriet dess miljö, energi och potentiell ekonomisk fördel, säger huvudforskaren professor John Andrews.

"Vårt senaste framsteg är ett avgörande steg mot billigt, hållbara protonbatterier som kan hjälpa till att möta våra framtida energibehov utan att ytterligare skada vår redan ömtåliga miljö, "Sa Andrews.

"När världen går mot naturligt variabel förnybar energi för att minska utsläppen av växthusgaser och ta itu med klimatförändringarna, Kraven på lagring av elenergi kommer att vara enorma.

"Protonbatteriet är en av många potentiella bidragsgivare till att möta denna enorma efterfrågan på energilagring. Att driva batterier med protoner har potential att vara mer ekonomiskt än att använda litiumjoner, som är gjorda av skrämselresurser.

"Kol, som är den primära resursen som används i vårt protonbatteri, är rikligt och billigt jämfört med både metall-vätelagringslegeringar, och det litium som behövs för uppladdningsbara litiumjonbatterier."

Under laddning, kolet i elektroden binder till protoner som genereras genom att klyva vatten med hjälp av elektroner från strömförsörjningen. Protonerna frigörs igen och passerar tillbaka genom den reversibla bränslecellen för att bilda vatten med syre från luften för att generera kraft. Till skillnad från fossila bränslen, kolet förbränns inte eller orsakar utsläpp i processen.

Forskarnas experiment visade att deras lilla protonbatteri, med en aktiv yta på endast 5,5 kvadratcentimeter, kunde redan lagra lika mycket energi per massenhet som kommersiellt tillgängliga litiumjonbatterier. Detta var innan batteriet hade optimerats.

"Framtida arbete kommer nu att fokusera på att ytterligare förbättra prestanda och energitäthet genom användning av atomärt tunna lager kolbaserade material som grafen, med målet för ett protonbatteri som verkligen är konkurrenskraftigt med litiumjonbatterier i sikte, "Sa Andrews.

RMITs forskning om protonbatteriet har delvis finansierats av Australian Defense Science and Technology Group och US Office of Naval Research Global.

Hur protonbatteriet fungerar

Den fungerande prototypen av protonbatteri kombinerar de bästa aspekterna av vätebränsleceller och batteribaserad elkraft.

Den senaste versionen kombinerar en kolelektrod för lagring av väte i fast tillstånd med en reversibel bränslecell för att ge en integrerad uppladdningsbar enhet.

Den framgångsrika användningen av en elektrod gjord av aktivt kol i ett protonbatteri är ett betydande steg framåt och rapporteras i International Journal of Hydrogen Energy .

Under laddning, protoner som produceras genom vattenspjälkning i en reversibel bränslecell leds genom cellmembranet och binder direkt till lagringsmaterialet med hjälp av elektroner som tillförs av den pålagda spänningen, utan att bilda vätgas.

I elförsörjningsläge är denna process omvänd; väteatomer frigörs från lagret och förlorar en elektron för att återigen bli protoner. Dessa protoner passerar sedan tillbaka genom cellmembranet där de kombineras med syre och elektroner från den externa kretsen för att återbilda vatten.

En stor potentiell fördel med protonbatteriet är mycket högre energieffektivitet än konventionella vätesystem, vilket gör det jämförbart med litiumjonbatterier. Förlusterna i samband med vätgasutveckling och uppdelning till protoner elimineras.

För flera år sedan visade RMIT-teamet att ett protonbatteri med en metallegeringselektrod för lagring av väte kunde fungera, men dess reversibilitet och laddningsbarhet var för låg. Den använda legeringen innehöll också sällsynta jordartsmetaller, och var sålunda tung och kostsam.

De senaste experimentella resultaten visade att en porös elektrod med aktivt kol gjord av fenolharts kunde lagra cirka 1 viktprocent väte i elektroden. Detta är en energi per massenhet som redan är jämförbar med kommersiellt tillgängliga litiumjonbatterier, även om protonbatteriet långt ifrån är optimerat. Den maximala cellspänningen var 1,2 volt.