Κινέζοι ερευνητές δημιουργούν μακράς διαρκείας, οικολογική υδατική μπαταρία

Ένας ουδέτερος ηλεκτρολύτης στον πυρήνα

Ο σχεδιασμός επικεντρώνεται σε έναν ηλεκτρολύτη με ουδέτερο pH, κατασκευασμένο από άλατα μαγνησίου και ασβεστίου. Αυτό αποτελεί απόκλιση από την τυπική υδατική χημεία των μπαταριών, η οποία συχνά βασίζεται σε ισχυρά όξινα ή αλκαλικά διαλύματα. Αυτά τα διαλύματα διαβρώνουν τα ηλεκτρόδια και διασπώνται με την πάροδο του χρόνου. Η ουδέτερη προσέγγιση αποφεύγει και τα δύο προβλήματα. Ο ηλεκτρολύτης έχει pH 7, κοντά σε αυτό του καθαρού νερού.

Η κεντρική πρόκληση ήταν η σύνδεση αυτού του ηλεκτρολύτη με το σωστό υλικό ηλεκτροδίου. Η ομάδα ανέπτυξε ένα ομοιοπολικό ηλεκτρόδιο οργανικού πολυμερούς σχεδιασμένο να φιλοξενεί ιόντα μαγνησίου και ασβεστίου. Το πολυμερές χρησιμοποιεί μια άκαμπτη, μοριακή δομή που μοιάζει με κηρήθρα. Αυτή η δομή σταθεροποιεί την ενεργό ένωση έναντι της αποικοδόμησης στη χημεία με βάση το νερό. Κατά τη δοκιμή, το κελί παρείχε ειδική χωρητικότητα 112.8 χιλιοστοαμπέρ-ωρών ανά γραμμάριο.

Ισχυρισμοί μακροζωίας και τι σημαίνουν

Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι με τους καθημερινούς ρυθμούς κυκλικής φόρτισης, η λειτουργική διάρκεια ζωής της μπαταρίας θα μπορούσε να παραταθεί σε αιώνες. Το Live Science ανέφερε τον ισχυρισμό ότι διαρκεί μέχρι τον 24ο αιώνα. Αυτό το ποσό απαιτεί συγκεκριμένο πλαίσιο. Οι μετρήσεις των εργαστηριακών κύκλων δεν μεταφράζονται πάντα άμεσα σε πραγματικές συνθήκες. Η διακύμανση της θερμοκρασίας, η διακύμανση του φορτίου και η φυσική καταπόνηση σε εγκαταστάσεις πεδίου εισάγουν μεταβλητές που οι εργαστηριακές δοκιμές δεν αναπαράγουν πλήρως.

Ο αριθμός των 120,000 κύκλων είναι, από μόνος του, ένα αξιοσημείωτο αποτέλεσμα. Οι περισσότερες εμπορικές μπαταρίες ιόντων λιθίου φθείρονται σημαντικά μετά από 2,000 έως 4,000 κύκλους. Ακόμη και τα στοιχεία λιθίου-φωσφορικού σιδήρου που είναι προσανατολισμένα στο δίκτυο λειτουργούν συνήθως σε ένα εύρος 3,000 έως 6,000 κύκλων πριν από σημαντική απώλεια χωρητικότητας. Το χάσμα μεταξύ αυτών των αριθμών και των 120,000 είναι μεγάλο. Ανεξάρτητη επαλήθευση του αποτελέσματος δεν έχει ακόμη δημοσιευτεί.

Ο ισχυρισμός περί απόρριψης χρήζει επίσης προσοχής. Οι συγγραφείς περιγράφουν τη χημεία των ηλεκτρολυτών ως αρκετά ασφαλή για άμεση περιβαλλοντική απόρριψη. Αυτή είναι μια ισχυρή δήλωση. Τα κανονιστικά πλαίσια στο Ηνωμένο Βασίλειο, τις ΗΠΑ και την ΕΕ ορίζουν αυστηρά όρια για την απόρριψη των μπαταριών. Το κατά πόσον αυτή η χημεία πληροί αυτά τα όρια στην πράξη θα απαιτούσε ανεξάρτητες περιβαλλοντικές δοκιμές.

Όπου οι υδατικές μπαταρίες έχουν δυσκολευτεί

Οι υδατικές μπαταρίες έχουν προσελκύσει σταθερό ενδιαφέρον από τους κατασκευαστές συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας στο δίκτυο. Δεν αναφλέγονται. Η κατασκευή τους μπορεί να είναι φθηνότερη από τα συστήματα ιόντων λιθίου. Οι ηλεκτρολύτες με βάση το νερό είναι ευρέως διαθέσιμοι και εύκολοι στη χρήση.

Οι συμβιβασμοί, ωστόσο, ήταν πραγματικοί. Η ενεργειακή πυκνότητα στα υδατικά συστήματα είναι χαμηλότερη από ό,τι στις εναλλακτικές λύσεις ιόντων λιθίου. Η διάβρωση των ηλεκτροδίων έχει μειώσει τη διάρκεια ζωής σε πολλά σχέδια. Η βιβλιογραφία ανασκόπησης που δημοσιεύτηκε στο Energy Storage Materials έχει τεκμηριώσει λεπτομερώς αυτούς τους περιορισμούς. Έχουν περιορίσει την εμπορική χρήση, ακόμη και καθώς αυξάνεται η ζήτηση αποθήκευσης στο δίκτυο.

Ο νέος σχεδιασμός επιχειρεί να μειώσει αυτούς τους συμβιβασμούς. Ο ουδέτερος ηλεκτρολύτης αντιμετωπίζει άμεσα τη διάβρωση. Το πολυμερές ηλεκτρόδιο αντιμετωπίζει την υποβάθμιση. Το κατά πόσον ο συνδυασμός αντέχει σε κλίμακα, σε όλα τα εύρη θερμοκρασίας και σε πραγματικά περιβάλλοντα δικτύου είναι ένα ερώτημα στο οποίο η δημοσιευμένη εργασία δεν απαντά ακόμη.

Ζήτηση Αποθήκευσης στο Δίκτυο και το Ευρύτερο Πλαίσιο

Η αποθήκευση μπαταριών σε κλίμακα δικτύου έχει καταστεί προτεραιότητα στον σχεδιασμό καθαρής ενέργειας. Ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας έχει επανειλημμένα επισημάνει την ικανότητα αποθήκευσης ως δεσμευτικό περιορισμό στην ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η παραγωγή αιολικής και ηλιακής ενέργειας είναι διαλείπουσα. Η αποθήκευση εξομαλύνει αυτή την διαλείπουσα κατάσταση. Τα ιόντα λιθίου κυριαρχούν στις τρέχουσες εγκαταστάσεις, αλλά οι ανησυχίες για την αλυσίδα εφοδιασμού, το κόστος των πρώτων υλών και ο κίνδυνος πυρκαγιάς έχουν διατηρήσει ζωντανό το ενδιαφέρον για εναλλακτικές λύσεις.

Τα υδατικά συστήματα, οι μπαταρίες ροής και η αποθήκευση πεπιεσμένου αέρα έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον επενδύσεων και έρευνας. Κάθε μία έχει διαφορετικά προφίλ κόστους και απόδοσης. Μια μπαταρία που προσφέρει πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής με χαμηλό περιβαλλοντικό κίνδυνο θα αντιμετώπιζε δύο από τα πιο επίμονα εμπορικά προβλήματα στον τομέα.

Το έργο της κινεζικής ομάδας βρίσκεται σε αρχικό στάδιο. Η δημοσίευση στο Nature Communications δείχνει ότι η μεθοδολογία πέρασε τον έλεγχο των ειδικών. Δεν επιβεβαιώνει την εμπορική ετοιμότητα.

Τι ακολουθεί

Η επόμενη δοκιμή είναι η κλιμάκωση. Τα εργαστηριακά κύτταρα και οι εγκαταστάσεις σε κλίμακα δικτύου διαφέρουν σημαντικά ως προς την πολυπλοκότητα της μηχανικής. Το ηλεκτρόδιο ομοιοπολικού οργανικού πολυμερούς θα πρέπει να κατασκευάζεται σε όγκο. Το κόστος ανά κιλοβατώρα σε κλίμακα είναι άγνωστο από την τρέχουσα εργασία.

Οι ερευνητές δεν έχουν ανακοινώσει εμπορικό εταίρο ή πιλοτικό έργο. Δεν εμφανίζεται χρονοδιάγραμμα για την ανάπτυξη στο δημοσιευμένο υλικό. Τα αποτελέσματα είναι αρκετά αξιόπιστα για να τα παρακολουθήσουμε, αλλά είναι πολύ νωρίς για να τα αντιμετωπίσουμε ως λυμένο πρόβλημα.