Χωρίς τοξικά στοιχεία προς απόρριψη, ο νέος σχεδιασμός υδατικής μπαταρίας μπορεί να βελτιώσει δραματικά την ασφάλεια και τη διάρκεια ζωής των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες
Ερευνητές στην Κίνα πρωτοστάτησαν σε μια φόρμουλα για μια μη τοξική «υδατική μπαταρία» που, όπως λένε, μπορεί να διαρκέσει 10 φορές περισσότερο από τις καλύτερες σημερινές συσκευές.
Επιπλέον, η μπαταρία νερού επιτυγχάνει αυτή την εντυπωσιακή διάρκεια ζωής χωρίς να υποβαθμίζεται και μπορεί να απορριφθεί με ασφάλεια στο περιβάλλον, ανέφερε η ομάδα σε νέα μελέτη.
Για τη νέα μέθοδο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν συνθετικά ομοιοπολικά οργανικά πολυμερή (COPs). Αυτά τα ανθεκτικά οργανικά μόρια, όπως το άζωτο και ο άνθρακας, συνδέονται μεταξύ τους σε μια σφιχτή δομή με καθαρά ανοίγματα και χρησιμοποιούνται ως άνοδος για ιόντα μαγνησίου και ασβεστίου.
Οργανικά πολυμερή όπως αυτά έχουν μικρή χρησιμότητα επειδή γενικά έχουν μικρή διάρκεια ζωής στις υδατικές μπαταρίες καθώς διασπώνται γρήγορα στους υδατικούς ηλεκτρολύτες που βρίσκονται μέσα σε αυτή την παραλλαγή μπαταρίας, οι οποίοι μπορεί να είναι είτε εξαιρετικά όξινοι είτε εξαιρετικά αλκαλικοί.
Ο ηλεκτρολύτης είναι απαραίτητος για τη μετακίνηση ιόντων μεταξύ της ανόδου και της καθόδου, γι’ αυτό οι υδατικές μπαταρίες αποτελούν μια μη εύφλεκτη και πιο οικονομική εναλλακτική λύση στις παραδοσιακές μπαταρίες.
Στη μελέτη, που δημοσιεύθηκε στις 18 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Nature Communications, οι ερευνητές βρήκαν μια συγκεκριμένη ένωση (hexaketone-tetraaminodibenzo-p-dioxin) που συνδυάζει καρβονύλιο υψηλής πυκνότητας -ιδανικό για την προσέλκυση θετικών ιόντων - με ένα άκαμπτο μόριο tetraaminodibenzo-p-dioxin που διατηρεί την εξακετόνη στην επίπεδη, κυψελοειδή δομή της.
Οι ουδέτεροι ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιήθηκαν στην έρευνα, με pH 7,0, μεταφέρουν τα ιόντα με υψηλή απόδοση. Σε συνδυασμό με την προσεκτικά ρυθμισμένη δομή, χωρίς να διαβρώνουν αυτό το COP.
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι τα πολυμερή θα μπορούσαν να αντέξουν 120.000 κύκλους φόρτισης
Αυτό σημαίνει περισσότερο από 10 φορές τη διάρκεια ζωής μιας τυπικής μπαταρίας ιόντων λιθίου (Li-ion) που χρησιμοποιείται για αποθήκευση στο δίκτυο, σύμφωνα με δεδομένα του Energy Sustainability Directory.
Οι μπαταρίες δικτύου ολοκλήρωσαν κατά μέσο όρο 1,1 κύκλους ανά ημέρα το 2024. Με αυτόν τον ρυθμό, η υδατική μπαταρία θα μπορούσε να διαρκέσει περίπου 300 χρόνια πριν χρειαστεί αντικατάσταση.
Οι ερευνητές είπαν επίσης ότι οι ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται στη νέα μπαταρία είναι τόσο ασφαλείς ώστε μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως άλμη για τόφου, δηλαδή μη τοξικοί και εύκολοι στην άμεση απόρριψη στο περιβάλλον.
Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των υδατικών μπαταριών
Οι υδατικές μπαταρίες προτιμώνται ιδιαίτερα για αποθήκευση ενέργειας σε κλίμακα δικτύου, όπως τα μεγάλα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες, λόγω των μη εύφλεκτων ιδιοτήτων τους και του χαμηλού αρχικού κόστους.
Αλλά συνοδεύονται επίσης από μειονεκτήματα. Οι υδατικές μπαταρίες δεν αποθηκεύουν τόση ενέργεια όσο οι συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου ή οι συσκευές ιόντων νατρίου (Na-ion), επειδή τα ηλεκτρόδια με βάση το νερό περιορίζουν τη μέγιστη τάση.
Οι υδατικές μπαταρίες επίσης διασπώνται με την πάροδο του χρόνου, καθώς το ακραίο pH του ηλεκτρολύτη σχηματίζει αέρια υδρογόνου και οξυγόνου, διαβρώνοντας τα μεταλλικά στοιχεία της μπαταρίας.
Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως αποσύνθεση ηλεκτρολύτη, μπορεί επίσης να προκαλέσει εκρήξεις σε ακραίες περιπτώσεις.
Αυτός ο περιορισμός - ένας συμβιβασμός μεταξύ ασφάλειας και ενεργειακής χωρητικότητας - συνήθως ξεπερνιέται με την κατασκευή μεγαλύτερων συστημάτων αποθήκευσης υδατικών μπαταριών.
Επιπλέον, το υδατικό διάλυμα που χρησιμοποιείται στις μπαταρίες τείνει να είναι τοξικό και πρέπει να απορρίπτεται με προσοχή. Αυτό παρουσιάζει πιθανό περιβαλλοντικό κίνδυνο σε περίπτωση ατυχήματος που θα μπορούσε να εκθέσει τις μπαταρίες στα φυσικά στοιχεία και αυξάνει το κόστος που σχετίζεται με την ασφαλή συντήρηση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με υδατικές μπαταρίες.
Η ειδοποιός διαφορά στον καταλύτη με τη νέα μπαταρία νερού
Σε μια μελέτη του 2023 που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, επιστήμονες ανέφεραν ως ιδιαίτερα μειονεκτήματα των υδατικών μπαταριών το υψηλό κόστος, την εξάντληση και την περιβαλλοντική τοξικότητα.
Η εξάντληση σε αυτό το πλαίσιο αναφέρεται στη σταδιακή μείωση της χωρητικότητας και της απόδοσης της μπαταρίας με την πάροδο του χρόνου - μια γνώριμη ενόχληση για οποιονδήποτε έχει κρατήσει το ίδιο smartphone για περισσότερα από λίγα χρόνια.
Η τελευταία αυτή ανακάλυψη στοχεύει στην αντιμετώπιση αυτών των αδυναμιών με μια χημική σύνθεση που είναι τόσο μη τοξική όσο και εξαιρετικά αποδοτική μακροπρόθεσμα, με αποτέλεσμα πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και λιγότερες επιπλοκές που σχετίζονται με την απόρριψη των μπαταριών.
www.worldenergynews.gr
