Baterije na bazi vode mogu biti alternativa litijumskim

Bezmetalne baterije na bazi vode jedinstvene su i potpuno drugačije od onih koje koriste kobalt u litij-ionskom obliku. Usredotočenost istraživačkog tima na ovu vrstu baterija proizlazi iz želje da imaju veću kontrolu nad domaćim opskrbnim lancem, budući da se kobalt i litij obično nabavljaju u drugim zemljama. Osim toga, sigurnija kemija baterije mogla bi spriječiti potencijalne požare.

Profesor kemijskog inženjerstva dr. Jodie Lutkenhaus i docentica kemije Dr. Daniel Tabor objavio je svoja otkrića o baterijama bez litija u časopisu Nature Materials.

"Ne bi više bilo paljenja baterija jer je sve na bazi vode", rekao je Lutkenhaus. „Ako se u budućnosti dogodi predviđena nestašica materijala, cijena litij-ionskih baterija naglo će porasti. Ako imamo alternativnu bateriju, možemo se okrenuti ovoj kemiji gdje je opskrba puno stabilnija jer ih možemo proizvoditi u Sjedinjenim Državama, a materijali za njihovu izradu dostupni su ovdje.”

Lutkenhaus je također rekao da se vodene baterije sastoje od katode, elektrolita i anode. Katode i anode su polimeri koji mogu pohraniti energiju, a elektrolit je voda pomiješana s organskim solima. Elektrolit je ključan za ionsko provođenje i skladištenje energije kroz interakciju s elektrodom.

"Ako elektroda previše nabubri tijekom svojih ciklusa, tada ne može dobro provoditi elektrone i gubite cjelokupnu izvedbu", rekla je. "Vjerujem da postoji razlika od 1000 posto u kapacitetu skladištenja energije ovisno o izboru elektrolita zbog učinaka bubrenja."

Prema njihovom radu, redoks-aktivni, nekonjugirani radikalni polimeri (elektrode) obećavajući su kandidati za vodene baterije bez metala zbog visokog napona pražnjenja polimera i brze redoks kinetike. Reakcija je složena i teško rješiva zbog istovremenog prijenosa elektrona, iona i molekula vode.

Istraživačka skupina Tabora nadopunila je eksperimentalne napore računalnim simulacijama i analizama. Simulacije su pružile uvid u mikroskopsku molekularnu sliku strukture i dinamike.

“Teorija i eksperiment često blisko surađuju kako bi razumjeli ove materijale. "Jedna od novih stvari koje računalno radimo u ovom radu je da stvarno napunimo elektrodu do višestrukih stanja naboja i vidimo kako okolina reagira na to punjenje", rekao je Tabor.

Istraživači su makroskopski promatrali radi li katoda baterije bolje u prisutnosti određenih vrsta soli mjereći točno koliko je vode i soli ušlo u bateriju tijekom rada.

"Učinili smo ovo kako bismo objasnili ono što smo eksperimentalno promatrali", rekao je. “Sada bismo željeli proširiti naše simulacije na buduće sustave. Morali smo potvrditi našu teoriju o tome koje su to sile koje pokreću takvo ubrizgavanje vode i otapala.”

“S ovom novom tehnologijom pohrane energije korak smo bliže baterijama bez litija. "Na molekularnoj razini imamo bolju predodžbu o tome zašto neke baterijske elektrode rade bolje od drugih, a to nam daje snažne dokaze i smjernice kako napredovati u dizajnu materijala", rekao je Tabor.