Батарея на воде может работать веками – ученые провели необычный тест

Литий-ионные аккумуляторы остаются одним из основных способов хранения энергии в смартфонах, ноутбуках, электромобилях и других устройствах. Они способны накапливать много энергии в относительно компактном корпусе, однако имеют и недостатки. Об этом пишет BGR.

Как работает новая батарея?

При повреждении или перегреве литий-ионной ячейки может начаться так называемый тепловой разгон. Это цепная реакция, во время которой температура внутри аккумулятора быстро растет. В результате батарея может загореться, взорваться или выделять токсичные газы.

Одной из альтернатив являются водные, или aqueous, аккумуляторы. Вместо легковоспламеняющихся компонентов в них используется электролит на основе воды, что потенциально делает такие системы более безопасными. Однако у водных батарей есть своя проблема – их химический состав может постепенно разрушать компоненты аккумулятора. В частности, кислые или щелочные электролиты способны запускать нежелательные электрохимические реакции. Они могут приводить к расходу воды, повреждению электродов и, в конечном итоге, сокращать срок службы батареи.

Китайские исследователи предложили другой подход. Они объединили специально разработанный органический полимер с нейтральным водным электролитом. В качестве последнего использовали воду и соли магния или кальция.

Интересно, что хлорид магния и хлорид кальция имеют еще одно хорошо известное применение – их можно использовать для коагуляции соевого молока при производстве тофу. Именно эта комбинация, по замыслу ученых, помогает уменьшить количество нежелательных побочных реакций, которые обычно сокращают срок службы водных аккумуляторов.

Сколько циклов выдержала батарея?

Наиболее впечатляющий результат эксперимента связан с количеством циклов заряда и разряда.

Исследователи смогли провести 120 тысяч полных циклов без выхода экспериментальной батареи из строя. Если условно заряжать и разряжать аккумулятор один раз в день, такое количество циклов соответствует примерно 329 годам.

В то же время это не означает, что конкретная батарея гарантированно проработает 329 лет в реальных условиях дома или в электромобиле. Речь идет о математическом пересчете результата лабораторного теста, а реальные условия эксплуатации значительно сложнее.

Ученые испытали отдельные варианты батарей с хлоридом магния и хлоридом кальция. В тесте с хлоридом магния аккумулятор после проведенных циклов сохранил примерно 72% первоначальной емкости. Это важный нюанс. Большое количество циклов не означает, что батарея все это время работала с неизменной емкостью. С износом аккумулятора доступное количество энергии постепенно уменьшается.

Однако сам показатель в 120 тысяч циклов привлекает внимание, поскольку даже гораздо меньшее количество циклов может быть достаточным для многих практических систем.

Где могут использоваться такие аккумуляторы?

Одним из самых перспективных направлений для водных батарей является накопление электроэнергии в больших масштабах.

Солнечные и ветровые электростанции производят электроэнергию в зависимости от погоды и времени суток. Солнечные панели генерируют больше энергии днем, а ветровые установки зависят от силы ветра. Поэтому энергосистемам нужны аккумуляторы, способные накапливать избыток электроэнергии и отдавать его тогда, когда выработка падает.

Именно поэтому водяные аккумуляторы уже рассматриваются как один из возможных вариантов для стационарного накопления энергии. В публикации в журнале Chemical Society Reviews за 2024 год водородные батареи называли перспективными для систем хранения энергии на уровне электросетей, в частности для работы с возобновляемыми источниками.

Исключительная циклическая долговечность может быть особенно полезна именно в таких системах. Домашний аккумулятор, подключенный к солнечным панелям, потенциально может ежедневно заряжаться днем и разряжаться вечером в течение очень длительного времени. Теоретически подобная технология могла бы снизить необходимость частой замены аккумуляторных систем.

Заменит ли водная батарея литий-ионные аккумуляторы?

Пока что говорить о замене литий-ионных батарей рано. Результаты китайских исследователей касаются экспериментальной системы, а лабораторная демонстрация чрезвычайно большого количества циклов еще не доказывает готовность технологии к массовому производству.

Важно также оценивать не только продолжительность работы, но и энергетическую плотность, мощность, размеры, стоимость производства, стабильность компонентов и поведение аккумулятора в реальных условиях. В то же время водная химия имеет потенциальное преимущество с точки зрения безопасности. Негорючий электролит может быть особенно интересен для больших систем накопления энергии, где возгорание аккумулятора способно привести к гораздо более серьезным последствиям, чем в небольшом портативном устройстве.

Еще один потенциальный плюс связан с завершением жизненного цикла батареи. Водные аккумуляторы содержат материалы электродов и электролита, которые можно извлекать и перерабатывать. Это потенциально упрощает обращение с отработанными системами, хотя конкретный экологический эффект будет зависеть от состава и процесса производства.

Поэтому результат в 120 тысяч циклов является прежде всего демонстрацией того, насколько долговечной может быть определенная конструкция водяной батареи. Если подобные характеристики удастся воспроизвести в больших аккумуляторах и сохранить приемлемую стоимость производства, эта технология может стать интересной для долгосрочного накопления электроэнергии.