水基电池可以替代锂

无金属水基电池是独特的，与使用锂离子形式的钴的电池完全不同。研究团队对此类电池的关注源于对国内供应链有更多控制的愿望，因为钴和锂通常来自其他国家。此外，更安全的电池化学成分可以防止潜在的火灾。

化学工程教授博士。 Jodie Lutkenhaus 和化学助理教授博士。丹尼尔·塔博尔 (Daniel Tabor) 在《自然材料》杂志上发表了他们关于无锂电池的研究结果。

“不会再发生电池火灾，因为一切都是水基的，”卢特肯豪斯说。 “如果未来出现预计的材料短缺，锂离子电池的价格将会大幅上涨。如果我们有替代电池，我们可以转向这种供应更稳定的化学物质，因为我们可以在美国制造它们，并且制造它们的材料在这里可以获得。”

卢特肯豪斯还表示，水电池由阴极、电解质和阳极组成。阴极和阳极是可以储存能量的聚合物，电解质是与有机盐混合的水。电解质通过与电极的相互作用对于离子传导和能量存储至关重要。

“如果电极在循环过程中膨胀太多，那么它就不能很好地传导电子，并且会失去整体性能，”她说。 “我相信，由于膨胀效应，根据电解质的选择，储能容量存在 1,000% 的差异。”

根据他们的论文，氧化还原活性、非共轭自由基聚合物（电极）由于聚合物的高放电电压和快速氧化还原动力学而成为无金属水电池的有希望的候选者。由于电子、离子和水分子的同时转移，该反应复杂且难以解决。

塔博尔的研究小组通过计算机模拟和分析补充了实验工作。这些模拟提供了对结构和动力学的微观分子图景的深入了解。

“理论和实验经常紧密结合来理解这些材料。塔博尔说：“我们在本文中计算的新内容之一是实际将电极充电到多种充电状态，并观察周围环境对充电的反应。”

研究人员通过准确测量电池在运行过程中进入的水和盐的量，从宏观上观察电池的阴极在存在某些类型的盐的情况下是否表现更好。

“我们这样做是为了解释我们在实验中观察到的情况，”他说。 “我们现在希望将模拟扩展到未来的系统。我们需要证实我们关于驱动水和溶剂注入的力量的理论。”

“有了这种新的储能技术，我们离无锂电池又近了一步。塔博尔说：“在分子水平上，我们更好地了解了为什么某些电池电极比其他电极工作得更好，这为我们如何推进材料设计提供了强有力的证据和指导。”