Батарея на воді може працювати століттями – вчені провели незвичайний тест

Літій-іонні акумулятори залишаються одним із головних способів зберігати енергію в смартфонах, ноутбуках, електромобілях та інших пристроях. Вони здатні накопичувати багато енергії у відносно компактному корпусі, однак мають і недоліки. Про це пише BGR.

Як працює нова батарея?

При пошкодженні або перегріванні літій-іонної комірки може початися так званий тепловий розгін. Це ланцюгова реакція, під час якої температура всередині акумулятора швидко зростає. У результаті батарея може загорітися, вибухнути або виділяти токсичні гази.

Однією з альтернатив є водні, або aqueous, акумулятори. Замість легкозаймистих компонентів вони використовують електроліт на основі води, що потенційно робить такі системи безпечнішими. Проте водні батареї мають власну проблему – їхня хімія може поступово руйнувати компоненти акумулятора. Зокрема, кислі або лужні електроліти здатні запускати небажані електрохімічні реакції. Вони можуть призводити до споживання води, пошкодження електродів і, зрештою, скорочувати термін служби батареї.

Китайські дослідники запропонували інший підхід. Вони поєднали спеціально розроблений органічний полімер із нейтральним водним електролітом. Для останнього використовували воду та солі магнію або кальцію.

Цікаво, що хлорид магнію та хлорид кальцію мають ще одне добре відоме застосування – їх можна використовувати для коагуляції соєвого молока під час виробництва тофу. Саме ця комбінація, за задумом учених, допомагає зменшити кількість небажаних побічних реакцій, які зазвичай скорочують життя водних акумуляторів.

Скільки циклів витримала батарея?

Найбільш вражаючий результат експерименту пов'язаний із кількістю циклів заряджання та розряджання.

Дослідники змогли провести 120 тисяч повних циклів без виходу експериментальної батареї з ладу. Якщо умовно заряджати та розряджати акумулятор один раз на день, така кількість циклів відповідає приблизно 329 рокам.

Водночас це не означає, що конкретна батарея гарантовано пропрацює 329 років у реальному будинку чи електромобілі. Йдеться про математичне перетворення результату лабораторного тесту, а реальні умови експлуатації значно складніші.

Учені випробували окремі варіанти батареї з хлоридом магнію та хлоридом кальцію. У тесті з хлоридом магнію акумулятор після проведених циклів зберіг приблизно 72% початкової ємності. Це важливий нюанс. Висока кількість циклів не означає, що батарея весь цей час працювала з незмінною ємністю. Зі старінням акумулятора доступна кількість енергії поступово зменшується.

Проте сам показник у 120 тисяч циклів привертає увагу, оскільки навіть набагато менша кількість циклів може бути достатньою для багатьох практичних систем.

Де можуть використовувати такі акумулятори?

Одним із найперспективніших напрямів для водних батарей є накопичення електроенергії у великих масштабах.

Сонячні та вітрові електростанції виробляють електроенергію залежно від погоди та часу доби. Сонячні панелі генерують більше енергії вдень, а вітрові установки залежать від сили вітру. Тому енергосистемам потрібні акумулятори, здатні накопичувати надлишок електроенергії та віддавати його тоді, коли виробництво падає.

Саме тому водні акумулятори вже розглядають як один із можливих варіантів для стаціонарного накопичення енергії. У публікації в журналі Chemical Society Reviews за 2024 рік водні батареї називали перспективними для систем зберігання енергії на рівні електромереж, зокрема для роботи з відновлюваними джерелами.

Надзвичайна циклічна довговічність може бути особливо корисною саме в таких системах. Домашній акумулятор, підключений до сонячних панелей, потенційно може щодня заряджатися вдень і розряджатися ввечері протягом дуже тривалого часу. Теоретично подібна технологія могла б зменшити необхідність частої заміни акумуляторних систем.

Чи замінить водна батарея літій-іонні акумулятори?

Поки що говорити про заміну літій-іонних батарей зарано. Результати китайських дослідників стосуються експериментальної системи, а лабораторна демонстрація надзвичайної кількості циклів ще не доводить готовність технології до масового виробництва.

Важливо також оцінювати не лише тривалість роботи, а й енергетичну щільність, потужність, розміри, вартість виробництва, стабільність компонентів та поведінку акумулятора в реальних умовах. Водночас водна хімія має потенційну перевагу з погляду безпеки. Негорючий електроліт може бути особливо цікавим для великих систем накопичення енергії, де пожежа акумулятора здатна створити значно серйозніші наслідки, ніж у невеликому портативному пристрої.

Ще один потенційний плюс пов'язаний із завершенням життєвого циклу батареї. Водні акумулятори містять матеріали електродів та електроліту, які можна вилучати та переробляти. Це потенційно спрощує поводження з відпрацьованими системами, хоча конкретний екологічний ефект залежатиме від складу та процесу виробництва.

Тож результат у 120 тисяч циклів є насамперед демонстрацією того, наскільки довговічною може бути певна конструкція водної батареї. Якщо подібні характеристики вдасться відтворити у великих акумуляторах та зберегти прийнятну вартість виробництва, технологія може стати цікавою для довготривалого накопичення електроенергії.