Νέα υδάτινη μπαταρία: Διάρκεια έως τον 24ο αιώνα και ασφαλής απόρριψη στο περιβάλλον

Ερευνητές στην Κίνα έχουν πρωτοπορήσει σε μια φόρμουλα για μια μη τοξική “υδάτινη μπαταρία” που, όπως λένε, θα μπορούσε να διαρκέσει 10 φορές περισσότερο από τις καλύτερες σημερινές συσκευές. Επιπλέον, η υδάτινη μπαταρία επιτυγχάνει αυτή την επική διάρκεια ζωής χωρίς υποβάθμιση και μπορεί να απορριφθεί με ασφάλεια στο περιβάλλον, ανέφερε η ομάδα σε μια νέα μελέτη.

Για τη νέα μέθοδο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν συνθετικά ομοιοπολικά οργανικά πολυμερή (COPs). Αυτά τα ανθεκτικά, οργανικά μόρια, όπως το άζωτο και ο άνθρακας, συνδέονται μεταξύ τους σε μια συμπαγή δομή με σαφή ανοίγματα και χρησιμοποιούνται ως άνοδος για ιόντα μαγνησίου και ασβεστίου.

Τα οργανικά πολυμερή σαν αυτά έχουν μικρή χρήση επειδή γενικά έχουν μικρή διάρκεια ζωής στις υδάτινες μπαταρίες. Διασπώνται γρήγορα σε υδατοδιαλυτούς ηλεκτρολύτες που βρίσκονται εντός αυτής της παραλλαγής μπαταρίας, οι οποίοι μπορεί να είναι είτε εξαιρετικά όξινοι είτε εξαιρετικά αλκαλικοί. Ο ηλεκτρολύτης είναι απαραίτητος για τη μετακίνηση ιόντων μεταξύ της ανόδου και της καθόδου, γι’ αυτό οι υδάτινες μπαταρίες αποτελούν μια μη εύφλεκτη και πιο προσιτή εναλλακτική λύση στις παραδοσιακές μπαταρίες.

Στη μελέτη, που δημοσιεύθηκε στις 18 Φεβρουαρίου στο περιοδικό Nature Communications, οι ερευνητές βρήκαν μια συγκεκριμένη ένωση (εξακετοξυ-τετρααμινοδιβενζο-p-διοξίνη) που συνδυάζει καρβονύλιο υψηλής πυκνότητας – το οποίο είναι ιδανικό για την προσέλκυση θετικών ιόντων – με ένα άκαμπτο μόριο τετρααμινοδιβενζο-p-διοξίνης που διατηρεί την εξακετοξυ σε επίπεδη, κυψελοειδή δομή.

Οι ουδέτεροι ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιήθηκαν στην έρευνα, με pH 7,0, μεταφέρουν τα ιόντα με υψηλή απόδοση. Σε συνδυασμό με την προσεκτικά ρυθμισμένη δομή, χωρίς να διαβρώνεται αυτό το COP.

Οι ερευνητές δήλωσαν ότι τα πολυμερή θα μπορούσαν να διαρκέσουν 120.000 κύκλους φόρτισης – περισσότερο από 10 φορές τη διάρκεια ζωής μιας τυπικής μπαταρίας ιόντων λιθίου (Li-ion) που χρησιμοποιείται για αποθήκευση στο δίκτυο, σύμφωνα με δεδομένα του Energy Sustainability Directory. Οι μπαταρίες δικτύου ολοκλήρωσαν κατά μέσο όρο 1,1 κύκλους την ημέρα το 2024. Με αυτόν τον ρυθμό, η υδάτινη μπαταρία θα μπορούσε να διαρκέσει περίπου 300 χρόνια πριν χρειαστεί αντικατάσταση.

Οι ερευνητές δήλωσαν επίσης ότι οι ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται στη νέα μπαταρία είναι τόσο ασφαλείς που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως άλμη τόφου, δηλαδή μη τοξικοί και εύκολοι να απορριφθούν απευθείας στο περιβάλλον.

Οφέλη των υδάτινων μπαταριών

Οι υδάτινες μπαταρίες προτιμώνται ιδιαίτερα για την αποθήκευση ενέργειας σε κλίμακα δικτύου, όπως μεγάλα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών, λόγω των μη εύφλεκτων ιδιοτήτων τους και του χαμηλού αρχικού κόστους.

Αλλά έχουν και μειονεκτήματα. Οι υδάτινες μπαταρίες δεν αποθηκεύουν τόσο πολύ ενέργεια όσο οι συμβατικές μπαταρίες Li-ion ή οι συσκευές ιόντων νατρίου (Na-ion), επειδή τα ηλεκτρόδια που βασίζονται στο νερό περιορίζουν τη μέγιστη τάση.

Οι υδάτινες μπαταρίες διασπώνται επίσης με την πάροδο του χρόνου, καθώς το ακραίο pH του ηλεκτρολύτη σχηματίζει αέριο υδρογόνο και οξυγόνο, διαβρώνοντας τα μεταλλικά στοιχεία της μπαταρίας. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως αποσύνθεση ηλεκτρολύτη, μπορεί επίσης να προκαλέσει εκρήξεις σε ακραίες περιπτώσεις. Αυτός ο περιορισμός – ένας συμβιβασμός μεταξύ ασφάλειας και δυναμικού ενέργειας – συνήθως ξεπερνιέται με την κατασκευή μεγαλύτερων συστημάτων αποθήκευσης υδάτινων μπαταριών.

Επιπλέον, το υδατικό διάλυμα που χρησιμοποιείται στις μπαταρίες τείνει να είναι τοξικό και πρέπει να απορρίπτεται με προσοχή. Αυτό παρουσιάζει πιθανό περιβαλλοντικό κίνδυνο σε περίπτωση ατυχήματος που θα μπορούσε να εκθέσει τις μπαταρίες στα στοιχεία της φύσης, και αυξάνει το κόστος που σχετίζεται με την ασφαλή συντήρηση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας υδάτινων μπαταριών.

Σε μια μελέτη του 2023 που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, επιστήμονες ανέφεραν το υψηλό κόστος, την εξάντληση (depletion) και την περιβαλλοντική τοξικότητα ως ιδιαίτερα μειονεκτήματα των υδάτινων μπαταριών.

Η εξάντληση σε αυτό το πλαίσιο αναφέρεται στη σταδιακή μείωση της χωρητικότητας και της απόδοσης της μπαταρίας με την πάροδο του χρόνου – μια οικεία ενόχληση για όποιον έχει το ίδιο smartphone για περισσότερα από λίγα χρόνια.

Η τελευταία ανακάλυψη στοχεύει στην αντιμετώπιση αυτών των αδυναμιών με μια χημική σύνθεση που είναι ταυτόχρονα μη τοξική και εξαιρετικά αποδοτική μακροπρόθεσμα, με αποτέλεσμα πολύ μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και λιγότερες επιπλοκές που σχετίζονται με την απόρριψη της μπαταρίας.