Enam kui saja-aastane akutehnoloogia paistab Eesti energiamaastikul taas silma

Eesti energiatehnoloogia valdkonnas on uuesti tähelepanu keskmes tsink‑õhk akud – õhuhapnikupõhine tehnoloogia, mis on tänu lihtsusele ja odavusele paljulubav alternatiiv liitiumioonakudele. Tartu Ülikooli taskuhäälingu „Tuleviku energeetika – energeetika tulevik“ 19. osas selgitas TÜ kolloid- ja keskkonnakeemia teadur Marek Mooste saatejuhtidele Karl‑Ander Kasukile ja Ove Ollile, kuidas tsink‑õhk akud toimivad, kus neid juba kasutatakse ja kui vajalikuks võivad need osutuda tulevikus.

Tsink‑õhk akude tööpõhimõte
Tsink‑õhk akud on avatud süsteemid, mis kasutavad energia tootmiseks atmosfääris leiduvat hapnikku. Mooste sõnul töötavad akud tänu tsingi oksüdeerumisele ja hapniku redutseerumisele ehk justkui hingavad sisse õhuhapnikku. Erinevalt liitiumioonakudest ei ole tsink‑õhk akud suletud, mistõttu peab õhuelektrood pidevalt hapnikku saama. Just seepärast on näiteks kuuldeaparaatide tsink‑õhk patareidel kaitsekleeps, mis tuleb enne kasutamist eemaldada – nii pääseb õhk elektroodini.

Aku hingamise tähtsus
Vestluses võrreldi tsink‑õhk aku tööpõhimõtet inimese hingamisega, sest aku kasutab hapnikku nii tühjenemisel kui ka laadimisel. Tühjenemise ajal hapnik redutseerub ja laadimisel hapnik eraldub. Kuna hapnik tuleb otse atmosfäärist, suurendab see aku energiatihedust ja vähendab materjalikulu, sest üks aku põhikomponentidest ei pea olema akusse ehitatud.

Tehnoloogia kasutusvõimalused
Praegu kasutatakse tsink‑õhk patareisid eelkõige kuuldeaparaatides, mille puhul tuleb kasuks patareide ohutus, suur energiatihedus ja madal hind. Samal ajal käib aktiivne teadus‑ ja arendustöö selle nimel, et muuta tsink‑õhk patareid taaslaetavateks akudeks. Sellisel juhul sobiksid need nii võrgusageduse tasakaalustamiseks kui ka taastuvenergia salvestamiseks – muu hulgas kodustes majapidamistes.

Tsink‑õhk akude ehitus ja materjalid
Tsink‑õhk akude ülesehitus on kihiline. See koosneb tsingipõhisest negatiivsest elektroodist, veepõhisest kaaliumhüdroksiidist ja positiivsest õhuelektroodist, millele on tõhususe parandamiseks kantud katalüsaator. Mooste rõhutab, et tsink on stabiilne ja ohutu metall ning hea alternatiiv liitiumile ja naatriumile, sest ei reageeri tavatingimustes ohtlikult. Tema sõnul on tsink‑õhk akud tuleohutud, mis on nende suur eelis liitiumioonakude ees – viimased võivad kahjustuste ja valesti käitlemise korral süttida. Mooste selgitas, et liitium ja naatrium põleksid avatud süsteemis kiiresti ära, kuid tsingiga seda ei juhtu, mis teeb sellest sobiva metalli avatud süsteemiga ehk n-ö hingavate akude ehitamiseks.

Keskkonnasäästlikum kui pliiaku
Tsink‑õhk akud on mittesüttivad, valmistatud odavatest ja laialt levinud materjalidest ning on keskkonnale vähem ohtlikud kui pliiakud. Mooste lisas, et plii on mürgine ja selle käitlemine on rangelt reguleeritud, samas kui tsink on palju ohutum. Lisaks neutraliseerub aluseline elektrolüüt CO₂ toimel, mis vähendab keskkonnariski juhuks, kui elektrolüüt peaks lekkima.

Suurim väljakutse: katalüsaatorite vastupidavus
Kuigi tsink‑õhk ühekordsed patareid on laialt levinud, siis taaslaetavate tsink‑õhk akude arendamine on keeruline. Peamine probleem seisneb õhuelektroodi katalüsaatorite vastupidavuses. Mooste sõnul väheneb katalüsaatorite aktiivsus tsink-õhk patarei põhises seadmes kiiresti, sest need peavad taluma nii väikest kui ka väga suurt pinget. Sellised tingimused põhjustavad süsiniku oksüdeerumist, metalltsentrite lagunemist ja reaktsioonivõime vähenemist. Mooste töörühm Tartu Ülikoolis tahab turule tuua plaatinavabad katalüsaatorid, mis oleksid odavamad ja kättesaadavamad kui väärismetallidel põhinevad lahendused.

Probleemid ja võimalikud lahendused
Tsink‑õhk akude kasutamiseks tuleb lahendada mitu tehnilist probleemi: elektrolüüdi lekkimine, vee aurustumine ja CO₂ mõju, mis muudab elektrolüüdi karbonaatideks ning vähendab aku jõudlust. Mooste juhib Tartu Ülikoolis arendusprojekti, milles keskendutakse just nende puuduste lahendamisele.

Tulevikuväljavaated
Tsink‑õhk akud võivad tulevikus olla head abivahendid nii taastuvenergia salvestamiseks kui ka võrgu tasakaalustamiseks. Kuigi nende laadimistsüklite arv jääb praegu alla liitiumioonakude omadele, on laboritingimustes plaatinavabade katalüsaatoritega saavutatud juba 1500–2000 tundi ehk ligi kolm kuud pidevat täis ja tühjaks laadimist. Mooste sõnul sõltub tehnoloogia laialdasem kasutuselevõtt sellest, kui kiiresti õnnestub lahendada elektrolüüdi ja aku disainipuudused.

Kuula saadet

„Tuleviku energeetika – energeetika tulevik“ on taskuhääling, mida veavad Karl-Ander Kasuk, Ove Oll ja Meelis Härmas. Uus taskuhäälingu osa ilmub iga kuu.