Ett team av kinesiska forskare har publicerat detaljer om ett vattenbaserat batteri som de säger skulle kunna förändra hur energi i nätskala lagras. Resultaten publiceras i Nature Communications. Batteriet kördes i 120 000 laddnings- och urladdningscykler i laboratorietester. Det behöll större delen av sin kapacitet under hela processen. Forskarna beskriver dess avfallshanteringsprofil som miljövänlig.
En neutral elektrolyt i kärnan
Designen kretsar kring en pH-neutral elektrolyt byggd av magnesium- och kalciumsalter. Detta är ett avsteg från standard vattenbaserad batterikemi, som ofta förlitar sig på starkt sura eller alkaliska lösningar. Dessa lösningar korroderar elektroder och bryts ner med tiden. Den neutrala metoden undviker båda problemen. Elektrolyten har ett pH på 7, nära rent vattens pH.
Att para ihop den elektrolyten med rätt elektrodmaterial var den centrala utmaningen. Teamet utvecklade en kovalent organisk polymerelektrod konstruerad för att innehålla magnesium- och kalciumjoner. Polymeren använder en stel, bikakeliknande molekylstruktur. Den strukturen stabiliserar den aktiva föreningen mot nedbrytning i vattenbaserad kemi. I tester levererade cellen en specifik kapacitet på 112.8 milliampere-timmar per gram.
Livslängdspåståenden och vad de betyder
Forskarna menar att batteriets livslängd vid dagliga cyklingshastigheter kan förlängas i århundraden. Live Science rapporterade att påståendet varade fram till 24-talet. Den siffran kräver kontext. Laboratoriecykler översätts inte alltid direkt till verkliga förhållanden. Temperaturvariationer, belastningsfluktuationer och fysisk stress i fältinstallationer introducerar alla variabler som laboratorietester inte helt replikerar.
Siffran 120 000 cykler är i sig ett anmärkningsvärt resultat. De flesta kommersiella litiumjonbatterier försämras avsevärt efter 2 000 till 4 000 cykler. Även nätfokuserade litiumjärnfosfatceller fungerar vanligtvis inom ett intervall på 3 000 till 6 000 cykler innan betydande kapacitetsförlust inträffar. Skillnaden mellan dessa siffror och 120 000 är stor. Oberoende verifiering av resultatet har ännu inte publicerats.
Även påståendet om avfallshantering förtjänar uppmärksamhet. Författarna beskriver elektrolytkemin som tillräckligt säker för direkt miljöförstöring. Det är ett starkt påstående. Regelverk i Storbritannien, USA och EU sätter strikta tröskelvärden för batteriavfallshantering. Huruvida denna kemi uppfyller dessa tröskelvärden i praktiken skulle kräva oberoende miljötester.
Där vattenbaserade batterier har haft problem
Vattenbaserade batterier har väckt ett stadigt intresse från utvecklare av nätlagring. De antänds inte. De kan vara billigare att tillverka än litiumjonsystem. Vattenbaserade elektrolyter är allmänt tillgängliga och enkla att hantera.
Avvägningarna har dock varit verkliga. Energitätheten i vattenhaltiga system är lägre än i litiumjonalternativ. Elektrodkorrosion har förkortat livslängden i många konstruktioner. Översiktslitteratur publicerad i Energy Storage Materials har dokumenterat dessa begränsningar i detalj. De har begränsat det kommersiella upptaget även i takt med att efterfrågan på nätlagring ökar.
Den nya designen försöker minska dessa avvägningar. Den neutrala elektrolyten åtgärdar korrosion direkt. Polymerelektroden åtgärdar nedbrytning. Huruvida kombinationen håller i stor skala, över olika temperaturintervall och i verkliga nätmiljöer är en fråga som den publicerade artikeln ännu inte besvarar.
Efterfrågan på nätlagring och det bredare sammanhanget
Batterilagring i nätskala har blivit en prioritet inom planering av ren energi. Internationella energiorganet (IAEA) har upprepade gånger pekat ut lagringskapacitet som en bindande begränsning för integration av förnybar energi. Vind- och solenergiproduktion är intermittent. Lagring jämnar ut denna intermittentitet. Litiumjonbatterier dominerar nuvarande installationer, men oro kring leveranskedjan, råvarukostnader och brandrisk har hållit intresset för alternativ vid liv.
Vattenbaserade system, flödesbatterier och tryckluftslagring har alla lockat investeringar och forskningsuppmärksamhet. Var och en har olika kostnads- och prestandaprofiler. Ett batteri som ger mycket lång livslängd med låg miljörisk skulle lösa två av de mest ihållande kommersiella problemen i sektorn.
Det kinesiska teamets arbete är i ett tidigt skede. Publikationen i Nature Communications indikerar att metoden har godkänts av experter. Den bekräftar inte att den är kommersiellt redo.
Vad kommer härnäst
Uppskalning är nästa test. Laboratorieceller och installationer i nätskala skiljer sig enormt åt i teknisk komplexitet. Den kovalenta organiska polymerelektroden skulle behöva tillverkas i stor skala. Kostnaden per kilowattimme i stor skala är okänd enligt den aktuella artikeln.
Forskarna har inte tillkännagivit någon kommersiell partner eller ett pilotprojekt. Ingen tidsplan för implementering framgår av det publicerade materialet. Resultaten är tillräckligt trovärdiga för att bevakas, men det är för tidigt att betrakta det som ett löst problem.
