Χωρίς τοξικά στοιχεία προς απόρριψη, ο νέος σχεδιασμός μπαταρίας υδατικού διαλύματος θα μπορούσε να βελτιώσει δραματικά την ασφάλεια και τη μακροζωία των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας.
Ερευνητές στην Κίνα δημιούργησαν μια πρωτοποριακή φόρμουλα για μια μη τοξική “μπαταρία νερού” (υδατικού διαλύματος), η οποία, όπως υποστηρίζουν, θα μπορούσε να διαρκέσει 10 φορές περισσότερο από τις καλύτερες σημερινές συσκευές.
Επιπλέον, η μπαταρία νερού επιτυγχάνει αυτή την επική διάρκεια ζωής χωρίς να φθείρεται και μπορεί να απορριφθεί με ασφάλεια στο περιβάλλον, ανέφερε η ομάδα σε μια νέα μελέτη.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν συνθετικά ομοιοπολικά οργανικά πολυμερή (COPs), τα οποία αποτελούνται από ανθεκτικά οργανικά μόρια όπως άζωτο και άνθρακα, συνδεδεμένα σε μια σφιχτή δομή με ξεκάθαρα ανοίγματα.
Αυτά τα πολυμερή χρησιμοποιούνται ως άνοδος για ιόντα μαγνησίου και ασβεστίου, προσφέροντας μια νέα μέθοδο για μπαταρίες νερού.
Τέτοιου είδους οργανικά πολυμερή έχουν περιορισμένη χρήση επειδή είναι γενικά βραχύβια στις μπαταρίες υδατικού διαλύματος· αποσυντίθενται γρήγορα στους ηλεκτρολύτες με βάση το νερό που βρίσκονται σε αυτόν τον τύπο μπαταρίας, οι οποίοι μπορεί να είναι είτε εξαιρετικά όξινοι είτε εξαιρετικά αλκαλικοί.
Ο ηλεκτρολύτης είναι απαραίτητος για τη μετακίνηση των ιόντων μεταξύ της ανόδου και της καθόδου, και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι μπαταρίες υδατικού διαλύματος αποτελούν μια μη εύφλεκτη και πιο προσιτή οικονομικά εναλλακτική λύση έναντι των παραδοσιακών μπαταριών.
Στη μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στις 18 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Nature Communications, οι ερευνητές εντόπισαν μια συγκεκριμένη ένωση (εξακετονο-τετρααμινοδιβενζο-p-διοξίνη) που συνδυάζει καρβονύλιο υψηλής πυκνότητας —το οποίο είναι ιδανικό για την έλξη θετικών ιόντων— με ένα άκαμπτο μόριο τετρααμινοδιβενζο-p-διοξίνης που διατηρεί την εξακετόνη στην επίπεδη, παρόμοια με κηρήθρα, δομή της.
Οι ουδέτεροι ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιήθηκαν στην έρευνα, με pH 7.0, άγουν τα ιόντα με υψηλή αποδοτικότητα. Σε συνδυασμό με τη μελετημένη δομή, η διαδικασία ολοκληρώνεται χωρίς να διαβρώνεται αυτό το πολυμερές (COP).
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι τα πολυμερή θα μπορούσαν να αντέξουν 120.000 κύκλους φόρτισης — δηλαδή πάνω από 10 φορές τη διάρκεια ζωής μιας τυπικής μπαταρίας ιόντων λιθίου (Li-ion) που χρησιμοποιείται για την αποθήκευση ενέργειας στο δίκτυο, σύμφωνα με στοιχεία του Energy Sustainability Directory. Οι μπαταρίες δικτύου πραγματοποίησαν κατά μέσο όρο 1,1 κύκλους την ημέρα το 2024.
Με αυτόν τον ρυθμό, η μπαταρία υδατικού διαλύματος θα μπορούσε να διαρκέσει περίπου 300 χρόνια προτού χρειαστεί αντικατάσταση. Οι ερευνητές ανέφεραν επίσης ότι οι ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται στη νέα μπαταρία είναι τόσο ασφαλείς, που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως άλμη για τόφου.
Είναι δηλαδή μη τοξικοί και εύκολο να απορριφθούν απευθείας στο περιβάλλον.
Πλεονεκτήματα των μπαταριών υδατικού διαλύματος
Οι μπαταρίες υδατικού διαλύματος προτιμώνται ιδιαίτερα για την αποθήκευση ενέργειας σε επίπεδο δικτύου, όπως στα μεγάλα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες, λόγω των μη εύφλεκτων ιδιοτήτων τους και του χαμηλού αρχικού κόστους επένδυσης.
Ωστόσο, παρουσιάζουν και ορισμένα μειονεκτήματα. Οι μπαταρίες υδατικού διαλύματος δεν αποθηκεύουν τόσο μεγάλη ποσότητα ενέργειας όσο οι συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου (Li-ion) ή οι συσκευές ιόντων νατρίου (Na-ion), επειδή τα ηλεκτρόδια με βάση το νερό περιορίζουν τη μέγιστη τάση.
Επιπλέον, οι μπαταρίες αυτές φθείρονται με την πάροδο του χρόνου, καθώς το ακραίο pH του ηλεκτρολύτη παράγει αέριο υδρογόνο και οξυγόνο, διαβρώνοντας τα μεταλλικά στοιχεία της μπαταρίας. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως αποσύνθεση του ηλεκτρολύτη, μπορεί σε ακραίες περιπτώσεις να προκαλέσει ακόμη και εκρήξεις.
Αυτός ο περιορισμός -ένας συμβιβασμός μεταξύ ασφάλειας και ενεργειακής χωρητικότητας- συνήθως ξεπερνιέται με την κατασκευή μεγαλύτερων συστημάτων αποθήκευσης. Επιπλέον, το υδατικό διάλυμα που χρησιμοποιείται στις μπαταρίες τείνει να είναι τοξικό και πρέπει να απορρίπτεται με προσοχή.
Αυτό ενέχει έναν δυνητικό περιβαλλοντικό κίνδυνο σε περίπτωση ατυχήματος που θα μπορούσε να εκθέσει τις μπαταρίες στα στοιχεία της φύσης, ενώ αυξάνει το κόστος που σχετίζεται με την ασφαλή συντήρηση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες υδατικού διαλύματος.
Σε μελέτη του 2023 στο περιοδικό Nature, επιστήμονες ανέφεραν το υψηλό κόστος, την εξάντληση πόρων και την περιβαλλοντική τοξικότητα ως μειονεκτήματα των μπαταριών υδατικού διαλύματος. Πρόκειται για μια σημαντική ανάλυση των περιορισμών της τρέχουσας τεχνολογίας.
Η εξάντληση (depletion) σε αυτό το πλαίσιο αναφέρεται στη σταδιακή μείωση της χωρητικότητας και της απόδοσης της μπαταρίας με την πάροδο του χρόνου — ένας γνώριμος εκνευρισμός για οποιονδήποτε έχει κρατήσει το ίδιο smartphone για περισσότερα από λίγα χρόνια.
Η τελευταία αυτή εξέλιξη στοχεύει στην αντιμετώπιση αυτών των ελλείψεων με μια χημική σύσταση που είναι ταυτόχρονα μη τοξική και εξαιρετικά αποδοτική μακροπρόθεσμα, οδηγώντας σε πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και λιγότερες επιπλοκές που σχετίζονται με την απόρριψή της.
