水基电池可以替代锂

Brezkovinske baterije na vodni osnovi so edinstvene in popolnoma drugačne od tistih, ki uporabljajo kobalt v svoji litij-ionski obliki. Osredotočenost raziskovalne skupine na to vrsto baterij izhaja iz želje po večjem nadzoru nad domačo dobavno verigo, saj se kobalt in litij običajno pridobivata v drugih državah. Poleg tega bi lahko varnejša kemija baterij preprečila morebitne požare.

Profesorica kemijskega inženiringa dr. Jodie Lutkenhaus in docent za kemijo dr. Daniel Tabor sta objavila svoje ugotovitve o baterijah brez litija v reviji Nature Materials.

»Požarov baterij ne bi bilo več, ker vse temelji na vodni osnovi,« je dejala Lutkenhausova. »Če se bo zgodilo v prihodnosti predvideno pomanjkanje materialov, bo cena litij-ionskih baterij močno narasla. Če imamo alternativno baterijo, se lahko obrnemo na to kemično sestavo, kjer je dobava veliko bolj stabilna, saj jih lahko izdelujemo v Združenih državah Amerike in so materiali za njihovo izdelavo na voljo tukaj.«

Lutkenhausova je dejala še, da so vodne baterije sestavljene iz katode, elektrolita in anode. Katode in anode so polimeri, ki lahko hranijo energijo, elektrolit pa je voda, pomešana z organskimi solmi. Elektrolit je ključen za ionsko prevodnost in shranjevanje energije prek interakcije z elektrodo.

»Če elektroda med svojimi cikli preveč nabrekne, potem ne more dobro prevajati elektronov in izgubite celotno zmogljivost,« je dejala. »Verjamem, da obstaja 1000-odstotna razlika v zmogljivosti shranjevanja energije, odvisno od izbire elektrolita zaradi učinkov nabrekanja.«

Glede na njihov članek so redoks-aktivni, nekonjugirani radikalni polimeri (elektrode) obetavni kandidati za brezkovinske vodne baterije zaradi visoke napetosti praznjenja polimerov in hitre redoks kinetike. Reakcija je kompleksna in težko rešljiva zaradi hkratnega prenosa elektronov, ionov in molekul vode.

Taborjeva raziskovalna skupina pa je eksperimentalna prizadevanja dopolnila z računalniškimi simulacijami in analizami. Simulacije so omogočile vpogled v mikroskopsko molekularno sliko strukture in dinamike.

»Teorija in eksperiment pogosto tesno sodelujeta pri razumevanju teh materialov. Ena od novih stvari, ki jih računsko izvajamo v tem dokumentu je, da dejansko napolnimo elektrodo do več stanj napolnjenosti in vidimo, kako se okolica odziva na to polnjenje,« je dejal Tabor.

Raziskovalci so makroskopsko opazovali, ali katoda baterije deluje bolje v prisotnosti določenih vrst soli, tako da so natančno izmerili, koliko vode in soli gre v baterijo med delovanjem.

»To smo naredili, da bi razložili, kaj smo eksperimentalno opazili,« je dejal. »Zdaj bi radi razširili naše simulacije na prihodnje sisteme. Morali smo potrditi našo teorijo o tem, katere so sile, ki poganjajo takšno vbrizgavanje vode in topila.«

»S to novo tehnologijo shranjevanja energije smo korak naprej k baterijam brez litija. Na molekularni ravni imamo boljšo predstavo o tem, zakaj nekatere baterijske elektrode delujejo bolje kot druge, in to nam daje močan dokaz in smernice, kako naj delamo naprej pri oblikovanju materialov,« je dejal Tabor.