Международная группа исследователей и промышленных специалистов заявляет, что им удалось изобрести первые в мире водяные батарейки.
В отличие от популярных литий-ионных батарей, которые питают все — от мобильных телефонов до электромобилей, но при этом изготавливаются с использованием опасных и токсичных электролитов, в новых батареях используется только вода. В результате получается менее токсичное, полностью перерабатываемое устройство для хранения энергии, которое никогда не загорится и не взорвется.
Хотя по своим характеристикам водные батареи пока не дотягивают до литий-ионных, их изобретатели утверждают, что многочисленные достижения и планируемые усовершенствования должны ликвидировать этот разрыв в течение ближайших пяти-десяти лет.
Содержание
Ключ к водяным батареям — это вода
В традиционных батареях органические электролиты позволяют электрическому току протекать между положительным и отрицательным полюсами. В литий-ионных батареях в качестве электролита выступает жидкий растворитель, растворяющий соль лития. К сожалению, эти материалы часто плохо реагируют на высокие температуры и давление. В худшем случае они могут сжечь электронные устройства, поджечь двигатель автомобиля или даже взорваться.
Надеясь найти лучшую альтернативу, международная группа ученых-исследователей под руководством заслуженного профессора Университета RMIT (Международный университет технологий, дизайна и предпринимательства) Тяньи Ма и выбранных промышленных партнеров придумала, как заменить опасный и зачастую токсичный электролит на обычную H2O, она же вода. В результате получился накопитель энергии, который работает так же, как литий-ионный аккумулятор, но без всех нежелательных рисков.
«То, что мы разрабатываем и производим, называется водные металл-ионные батареи — или мы можем называть их водяными батареями», — говорит Ма из Научной школы RMIT.
Изобретатели батареи также утверждают, что наряду с повышенной безопасностью их батарея более экологична. Эта проблема также стояла перед традиционными батареями, поскольку их трудно утилизировать после того, как они вырабатывают свой ресурс.
«Решая проблемы утилизации, с которыми сталкиваются потребители, промышленность и правительства во всем мире, используя современные технологии хранения энергии, наши батареи можно безопасно разобрать, а материалы использовать повторно или переработать», — говорит Ма.
Профессор также отметил, что их водяные батареи не требуют экзотических элементов или других материалов, а могут быть изготовлены из легкодоступных и недорогих компонентов. Это будет иметь решающее значение при попытке вывести водяные батареи на рынок.
«Мы используем такие материалы, как магний и цинк, которые распространены в природе, недороги и менее токсичны, чем альтернативы, используемые в других видах батарей, — пояснил Ма, — что позволяет снизить стоимость производства и уменьшить риски для здоровья людей и окружающей среды».
Команда продолжает улучшать характеристики и срок службы
Несмотря на повышенную безопасность и снижение токсичности водяных батарей, исследователи знают, что они не станут коммерчески жизнеспособными, пока их срок службы и производительность не сравняются с литий-ионными батареями или не превзойдут их. К счастью, изобретатели утверждают, что после добавления слоя висмута и его оксида на клеммы батареи, чтобы предотвратить рост металлических дендритов, водяные батареи служат примерно столько же, сколько и их конкуренты.
«Теперь наши батареи служат значительно дольше — сопоставимо с коммерческими литий-ионными батареями на рынке — что делает их идеальными для высокоскоростного и интенсивного использования в реальных условиях», — говорит Ма.
Что касается плотности энергии, то, по словам команды, они все еще сильно отстают от литий-ионных, но быстро приближаются к ним.
«Недавно мы создали магниево-ионный водяной аккумулятор, плотность энергии которого составляет 75 ватт-часов на килограмм (Вт-ч кг-1) — на 30 % больше, чем у новейших аккумуляторов для автомобилей Tesla», — говорят они.
Команда также утверждает, что у них есть четкий путь к повышению плотности энергии батареи. Первым шагом станет включение в электролит новых наноматериалов, наиболее вероятным кандидатом на которые является магний. В случае успеха добавление магния может позволить им достичь конкурентоспособных уровней хранения энергии в течение нескольких лет.
«Магниево-ионные водяные аккумуляторы способны заменить свинцово-кислотные батареи в краткосрочной перспективе — от одного до трех лет — и потенциально заменить литий-ионные батареи в долгосрочной перспективе, через 5-10 лет», — пояснил Ма. «Магний легче, чем альтернативные металлы, включая цинк и никель, имеет большую потенциальную плотность энергии и позволит создать батареи с более быстрым временем зарядки и лучшими возможностями для поддержки энергоемких устройств и приложений».
Пока же, по словам исследовательской группы, их батареи уже можно использовать в крупномасштабных системах хранения энергии, особенно учитывая их повышенную безопасность и меньшую токсичность по сравнению с традиционными технологиями хранения энергии. Тем не менее, они признают, что конечная цель — предложить более безопасную альтернативу нынешним батареям, которая будет соответствовать или даже превосходить их по сроку службы и плотности энергии и сможет использоваться в автомобилях, домах и повседневных электронных устройствах.
«По мере развития нашей технологии могут стать реальностью и другие виды применения небольших накопителей энергии, например, для питания домов и развлекательных устройств», — говорит Ма.
Читайте также: Впервые представлен прототип “кровяной батареи”, работающей на гемоглобине
