Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου θα μπορούσαν να προσφέρουν έναν πιο βιώσιμο τρόπο για την αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας, και μια νέα έρευνα υποδηλώνει ότι ενδέχεται τελικά να εξυπηρετήσουν έναν ακόμα πολύτιμο σκοπό: να βοηθήσουν στην αφαίρεση του αλατιού από το θαλασσινό νερό.
Μια ανατρεπτική ανακάλυψη
Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Σάρρεϋ διαπίστωσαν ότι ένα υλικό μπαταρίας με βάση το νάτριο αποδίδει πολύ καλύτερα όταν το φυσικό του περιεχόμενο σε νερό παραμένει στη θέση του.
Οι ερευνητές μπαταριών συχνά αφαιρούν αυτό το νερό, καθώς η υγρασία θεωρείται συνήθως επιβλαβής για τα υλικά των μπαταριών. Σε αυτή την περίπτωση, ωστόσο, η διατήρησή του επέφερε μια εντυπωσιακή βελτίωση.
Μια πιο οικονομική και πλούσια εναλλακτική λύση αντί του λιθίου
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου τροφοδοτούν σήμερα τα περισσότερα έξυπνα τηλέφωνα (smartphones), φορητούς υπολογιστές (laptops), ηλεκτρικά οχήματα και πολλά μεγάλα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας.
Μπορούν να αποθηκεύσουν σημαντικές ποσότητες ενέργειας, αλλά το λίθιο και ορισμένα από τα άλλα υλικά που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις μπαταρίες μπορεί να είναι ακριβά στην απόκτησή τους και ενδέχεται να συνεπάγονται σημαντικό περιβαλλοντικό κόστος.
Το νάτριο είναι πολύ πιο κοινό και ευρέως διαδεδομένο. Βρίσκεται στο θαλασσινό νερό, στα κοιτάσματα ορυκτού αλατιού και σε πολλά ορυκτά, γεγονός που το καθιστά μια ελκυστική επιλογή για αποθήκευση ενέργειας χαμηλότερου κόστους.
Οι μπαταρίες ιόντων νατρίου λειτουργούν με παρόμοιο γενικά τρόπο με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, καθώς φορτισμένα σωματίδια νατρίου κινούνται μεταξύ δύο ηλεκτροδίων κατά τη φόρτιση και την αποφόρτιση της μπαταρίας.
Το κύριο εμπόδιο ήταν η απόδοση. Πολλά υλικά μπαταριών ιόντων νατρίου δεν μπορούν ακόμη να ανταγωνιστούν την τεχνολογία των ιόντων λιθίου ως προς το πόσο φορτίο αποθηκεύουν, πόσο γρήγορα φορτίζουν ή για πόσο χρονικό διάστημα παραμένουν χρηστικά.
Η διατήρηση του νερού στο υλικό «εκτόξευσε» την απόδοση
Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Journal of Materials Chemistry A, οι ερευνητές εξέτασαν το οξείδιο του νατρίου-βαναδίου, ένα υλικό που περιέχει νάτριο και μελετάται εδώ και χρόνια.
Η προσοχή τους στράφηκε σε μια μορφή που ονομάζεται νανοδομημένο ένυδρο βανάδιο του νατρίου (NVOH). Η λέξη «ένυδρο» σημαίνει ότι μόρια νερού είναι ενσωματωμένα στη δομή του υλικού.
Ο όρος «νανοδομημένο» αναφέρεται σε χαρακτηριστικά που έχουν σχεδιαστεί σε εξαιρετικά μικρή κλίμακα, όπου οι αλλαγές στο σχήμα και τη διάταξη μπορούν να επηρεάσουν έντονα τον τρόπο με τον οποίο τα ιόντα κινούνται μέσα σε μια μπαταρία.
Αντί να θερμάνει το υλικό για να απομακρύνει το νερό, η ομάδα δοκίμασε τι θα συνέβαινε εάν το νερό παρέμενε στο εσωτερικό του.Το αποτέλεσμα ήταν μια σημαντική βελτίωση. Το ένυδρο υλικό αποθήκευε πολύ περισσότερο φορτίο, φόρτιζε πολύ πιο γρήγορα και συνέχιζε να αποδίδει αξιόπιστα για περισσότερους από 400 κύκλους φόρτισης.
Ένας κύκλος φόρτισης αντιπροσωπεύει μία πλήρη χρήση της μπαταρίας, από τη φόρτιση έως την αποφόρτιση και πάλι από την αρχή. Στις εργαστηριακές δοκιμές, η έκδοση που περιείχε νερό συγκρατούσε σχεδόν το διπλάσιο φορτίο σε σύγκριση με τα τυπικά υλικά ιόντων νατρίου. Αυτό το επίπεδο απόδοσης την κατέταξε ανάμεσα στα ισχυρότερα υλικά καθόδου που έχουν αναφερθεί ποτέ για αυτόν τον τύπο μπαταρίας.
Η κάθοδος είναι ένα από τα δύο κύρια ηλεκτρόδια μιας μπαταρίας. Διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στην αποθήκευση και την απελευθέρωση φορτισμένων σωματιδίων, επομένως η βελτίωση της καθόδου μπορεί να αυξήσει σημαντικά τη συνολική χωρητικότητα και την απόδοση της μπαταρίας.
Ο Δρ Ντάνιελ Κομαντέρ (Dr. Daniel Commandeur), ερευνητικός συνεργάτης στη Σχολή Χημείας και Χημικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου του Σάρρεϋ και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε: «Τα αποτελέσματά μας ήταν εντελώς απροσδόκητα. Το οξείδιο του νατρίου-βαναδίου είναι γνωστό εδώ και χρόνια και οι ερευνητές συνήθως του κάνουν θερμική επεξεργασία για να απομακρύνουν το νερό, καθώς θεωρείται ότι προκαλεί προβλήματα. Εμείς αποφασίσαμε να αμφισβητήσουμε αυτή την παραδοχή και το αποτέλεσμα ήταν πολύ καλύτερο από ό,τι περιμέναμε.
Το υλικό εμφάνισε πολύ ισχυρότερη απόδοση και σταθερότητα από το αναμενόμενο, ενώ θα μπορούσε ακόμη και να δημιουργήσει συναρπαστικές νέες πιθανότητες για τον τρόπο με τον οποίο θα χρησιμοποιούνται αυτές οι μπαταρίες στο μέλλον».
Το υλικό της μπαταρίας λειτούργησε επίσης και σε αλμυρό νερό
Στη συνέχεια, οι ερευνητές τοποθέτησαν το υλικό σε αλμυρό νερό, ένα ιδιαίτερα απαιτητικό περιβάλλον για τα εξαρτήματα των μπαταριών. Το αλμυρό νερό μπορεί να προκαλέσει ανεπιθύμητες χημικές αντιδράσεις και να εμποδίσει την κίνηση των ιόντων, καθιστώντας δύσκολη τη σωστή λειτουργία πολλών υλικών.
Παρά τις συνθήκες αυτές, το ένυδρο βανάδιο του νατρίου συνέχισε να λειτουργεί αποτελεσματικά.
Το σύστημα άρχισε επίσης να αφαιρεί το διαλυμένο αλάτι. Το υλικό με βάση το νάτριο τραβούσε το νάτριο από το νερό, ενώ ένα ηλεκτρόδιο γραφίτη αφαιρούσε το χλώριο. Το νάτριο και το χλώριο είναι τα δύο κύρια φορτισμένα συστατικά του κοινού αλατιού. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως ηλεκτροχημική αφαλάτωση.
Αντί να χρησιμοποιεί μόνο πίεση ή θερμότητα για τον διαχωρισμό του αλατιού από το νερό, η ηλεκτροχημική αφαλάτωση χρησιμοποιεί ηλεκτρικές αντιδράσεις και ειδικά επιλεγμένα ηλεκτρόδια για να τραβήξει τα φορτισμένα σωματίδια του αλατιού έξω από το διάλυμα.
Ο Δρ Κομαντέρ πρόσθεσε: «Το γεγονός ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το ένυδρο βανάδιο του νατρίου σε αλμυρό νερό αποτελεί μια πραγματικά συναρπαστική ανακάλυψη, καθώς δείχνει ότι οι μπαταρίες ιόντων νατρίου θα μπορούσαν να κάνουν κάτι παραπάνω από το να αποθηκεύουν απλώς ενέργεια — θα μπορούσαν επίσης να βοηθήσουν στην αφαίρεση του αλατιού από το νερό.
Μακροπρόθεσμα, αυτό σημαίνει ότι ίσως είμαστε σε θέση να σχεδιάσουμε συστήματα που θα χρησιμοποιούν το θαλασσινό νερό ως έναν απολύτως ασφαλή, δωρεάν και άφθονο ηλεκτρολύτη, παράγοντας ταυτόχρονα γλυκό νερό ως μέρος αυτής της διαδικασίας».
Ο ηλεκτρολύτης είναι η ουσία που επιτρέπει στα φορτισμένα σωματίδια να μετακινούνται μεταξύ των ηλεκτροδίων μιας μπαταρίας. Οι περισσότερες μπαταρίες του εμπορίου χρησιμοποιούν ειδικά παρασκευασμένους υγρούς ή στερεούς ηλεκτρολύτες.
Εάν το θαλασσινό νερό μπορούσε τελικά να εξυπηρετήσει αυτόν τον ρόλο με ασφάλεια και αποτελεσματικότητα, θα μπορούσε να μειώσει το κόστος των υλικών, προσθέτοντας παράλληλα μια δεύτερη λειτουργία στο σύστημα.
Μια ενιαία τεχνολογία θα μπορούσε να αποθηκεύει ενέργεια και να παράγει γλυκό νερό
Τα ευρήματα αυτά αυξάνουν την πιθανότητα δημιουργίας μελλοντικών συσκευών που θα συνδυάζουν την αποθήκευση ενέργειας με την επεξεργασία του νερού.
Τέτοια συστήματα θα μπορούσαν ενδεχομένως να αποθηκεύουν ηλεκτρική ενέργεια από φωτοβολταϊκά πάνελ ή ανεμογεννήτριες, αφαιρώντας ταυτόχρονα το αλάτι από το θαλασσινό νερό.
Αυτό θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε παραθαλάσσιες περιοχές όπου η πρόσβαση σε γλυκό νερό είναι περιορισμένη, αλλά το θαλασσινό νερό και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι άμεσα διαθέσιμα.
Ωστόσο, η έρευνα βρίσκεται ακόμη σε αρχικό στάδιο και θα απαιτηθούν περισσότερες δοκιμές προτού η προσέγγιση αυτή μπορέσει να χρησιμοποιηθεί σε μπαταρίες του εμπορίου ή σε μεγάλα συστήματα αφαλάτωσης.
Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε επίσης να ενισχύσει τη θέση των μπαταριών ιόντων νατρίου ως εναλλακτική λύση έναντι της τεχνολογίας που βασίζεται στο λίθιο.
Επειδή το νάτριο είναι άφθονο και σχετικά φθηνό, τα συστήματα ιόντων νατρίου θα μπορούσαν να εξελιχθούν σε μια ασφαλέστερη και πιο βιώσιμη επιλογή για την αποθήκευση ανανεώσιμης ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο ή για την τροφοδοσία ηλεκτρικών οχημάτων.
Η μέθοδος της ομάδας του Σάρρεϋ ενδέχεται επίσης να απλοποιήσει την παραγωγή μπαταριών.
Αντί να προσθέτουν ένα επιπλέον κατασκευαστικό στάδιο για την απομάκρυνση του νερού από το υλικό, οι κατασκευαστές θα μπορούσαν ενδεχομένως να το αφήνουν στη θέση του, εξασφαλίζοντας παράλληλα καλύτερη απόδοση.
Αμφισβητώντας μια μακροχρόνια παραδοχή σχετικά με την υγρασία, οι ερευνητές βρήκαν έναν απλό τρόπο να βελτιώσουν ένα υπάρχον υλικό μπαταρίας.
Τα αποτελέσματά τους φέρνουν την αποθήκευση ενέργειας ιόντων νατρίου υψηλής απόδοσης πιο κοντά στην πρακτική εφαρμογή και αφήνουν υποσχέσεις για ένα μέλλον στο οποίο μια ενιαία συσκευή θα μπορούσε τόσο να αποθηκεύει καθαρή ενέργεια όσο και να βοηθά στη μετατροπή του θαλασσινού νερού σε γλυκό νερό.
