Et hold kinesiske forskere har offentliggjort detaljer om et vandbaseret batteri, som de siger kan ændre, hvordan energi i elnettet lagres. Resultaterne er offentliggjort i Nature Communications. Batteriet kørte i 120,000 opladnings- og afladningscyklusser i laboratorietests. Det bevarede det meste af sin kapacitet under hele processen. Forskerne beskriver dets bortskaffelsesprofil som miljøvenlig.
En neutral elektrolyt i kernen
Designet er centreret omkring en pH-neutral elektrolyt bygget af magnesium- og calciumsalte. Dette er en afvigelse fra standard vandig batterikemi, som ofte er afhængig af stærkt sure eller alkaliske opløsninger. Disse opløsninger korroderer elektroder og nedbrydes over tid. Den neutrale tilgang undgår begge problemer. Elektrolytten har en pH-værdi på 7, tæt på rent vands.
At parre den elektrolyt med det rigtige elektrodemateriale var den centrale udfordring. Holdet udviklede en kovalent organisk polymerelektrode, der er konstrueret til at indeholde magnesium- og calciumioner. Polymeren bruger en stiv, bikagelignende molekylstruktur. Denne struktur stabiliserer det aktive stof mod nedbrydning i vandbaseret kemi. I test leverede cellen en specifik kapacitet på 112.8 milliampere-timer pr. gram.
Påstande om levetid og hvad de betyder
Forskerne argumenterer for, at batteriets levetid ved daglige cyklusser kan strække sig over århundreder. Live Science rapporterede, at påstanden varede indtil det 24. århundrede. Dette tal kræver kontekst. Laboratoriecyklusser oversættes ikke altid direkte til virkelige forhold. Temperaturvariationer, belastningsudsving og fysisk stress i feltinstallationer introducerer alle variabler, som laboratorietest ikke fuldt ud replikerer.
Tallet på 120,000 cyklusser er i sig selv et bemærkelsesværdigt resultat. De fleste kommercielle lithium-ion-batterier nedbrydes betydeligt efter 2,000 til 4,000 cyklusser. Selv lithium-jernfosfatceller, der er fokuseret på net, fungerer typisk inden for et interval på 3,000 til 6,000 cyklusser, før der sker et betydeligt kapacitetstab. Forskellen mellem disse tal og 120,000 er stor. Uafhængig verifikation af resultatet er endnu ikke offentliggjort.
Påstanden om bortskaffelse fortjener også opmærksomhed. Forfatterne beskriver elektrolytkemien som sikker nok til direkte bortskaffelse i miljøet. Det er en stærk påstand. Reguleringsrammer i Storbritannien, USA og EU sætter strenge grænser for bortskaffelse af batterier. Hvorvidt denne kemi opfylder disse grænser i praksis, kræver uafhængig miljøtestning.
Hvor vandige batterier har haft problemer
Vandige batterier har vakt konstant interesse fra udviklere af elnetlagring. De antændes ikke. De kan være billigere at fremstille end lithium-ion-systemer. Vandbaserede elektrolytter er bredt tilgængelige og nemme at håndtere.
Der har dog været reelle kompromiser. Energitætheden i vandige systemer er lavere end i lithium-ion-alternativer. Elektrodekorrosion har forkortet levetiden i mange designs. Oversigtslitteratur offentliggjort i Energy Storage Materials har dokumenteret disse begrænsninger i detaljer. De har begrænset den kommercielle udbredelse, selv i takt med at efterspørgslen på lagring i elnettet vokser.
Det nye design forsøger at reducere disse kompromiser. Den neutrale elektrolyt adresserer korrosion direkte. Polymerelektroden adresserer nedbrydning. Hvorvidt kombinationen holder i stor skala, på tværs af temperaturområder og i reelle netmiljøer, er et spørgsmål, som den publicerede artikel endnu ikke besvarer.
Efterspørgsel efter lagring i elnettet og den bredere kontekst
Batterilagring i netskala er blevet en prioritet i planlægningen af ren energi. Det Internationale Energiagentur har gentagne gange peget på lagringskapacitet som en bindende begrænsning for integration af vedvarende energi. Vind- og solenergiproduktion er intermitterende. Lagring udjævner denne intermitterende kapacitet. Lithium-ion dominerer de nuværende installationer, men bekymringer vedrørende forsyningskæden, råvareomkostninger og brandrisiko har holdt interessen for alternativer i live.
Vandige systemer, flowbatterier og trykluftlagring har alle tiltrukket sig investerings- og forskningsopmærksomhed. Hver især har forskellige omkostnings- og ydeevneprofiler. Et batteri, der leverer en meget lang levetid med lav miljørisiko, ville løse to af de mest vedvarende kommercielle bekymringer i sektoren.
Det kinesiske holds arbejde er i sin tidlige fase. Publikationen i Nature Communications indikerer, at metoden har bestået en ekspertgranskning. Den bekræfter ikke, at den er kommerciel parat.
Hvad kommer dernæst
Opskalering er den næste test. Laboratorieceller og installationer i netskala varierer enormt i teknisk kompleksitet. Den kovalente organiske polymerelektrode skal fremstilles i stor skala. Omkostningerne pr. kilowatt-time i stor skala er ukendte ud fra den aktuelle artikel.
Forskerne har ikke annonceret en kommerciel partner eller et pilotprojekt. Der fremgår ikke nogen tidsplan for implementeringen i det offentliggjorte materiale. Resultaterne er troværdige nok til at blive fulgt, men det er for tidligt at betragte dem som et løst problem.
