120 000 циклов с pH 7: водяные батареи, которые могут прослужить более 300 лет

Нейтральный электролит с Mg и Ca исключает коррозию и обеспечивает рекордные циклы работы с меньшим воздействием на окружающую среду.

Растет количество исследований, направленных на создание водяных батарей, которые были бы более стабильными, менее токсичными и способными выдерживать бесчисленные циклы зарядки без существенного ухудшения качества. В данном случае речь идет о результатах, достигнутых командой Городского университета Гонконга и Южного университета науки и технологий, которые разработали новую электрохимическую систему с нейтральным электролитом и опубликовали их в Природные коммуникации.

Устройство, о котором мы говорим, использует соли магния и кальция при pH 7,0, исключает агрессивные кислоты и щелочи и использует инновационный органический электрод на основе ковалентных полимеров. В ходе лабораторных испытаний аккумулятор достиг емкости 112,8 мАч/г и теоретического срока службы более 300 лет в условиях ежедневного использования.

Проблемы, связанные с объемной плотностью энергии и промышленной масштабируемостью, остаются, но результаты открывают конкретную перспективу для более устойчивых систем хранения.

Почему pH 7 повышает стабильность водяных батарей?

Традиционные водяные батареи имеют структурные ограничения. Они используют кислотные или щелочные электролиты, которые вызывают побочные реакции. Среди них выделение водорода и кислорода на электродах. Со временем эти реакции разрушают внутренние материалы. Они также могут создавать экологические риски во время утилизации.

Новая система заменяет агрессивные электролиты нейтральным раствором, состоящим из солей магния и кальция. Значение pH 7,0 позволяет избежать коррозионных реакций, типичных для экстремальных сред.

Этот момент является центральным в исследовании. Авторы показывают, что поддержание нейтральных условий стабилизирует границу раздела электрод-электролит. Уменьшает образование нежелательных побочных продуктов. Улучшает электрохимическую обратимость.

Как работает нейтральный электролит в водяных батареях?

Электролит состоит из MgCl₂ и CaCl₂ в водном растворе. Это нетоксичные и широко доступные соли. Это те же минералы, которые используются в производстве продуктов питания, например, в рассоле тофу.

Выбор двухвалентных ионов, таких как Mg²⁺ и Ca²⁺, обеспечивает большую стабильность по сравнению с системами одновалентных ионов. Теоретическое моделирование и спектроскопический анализ, представленные в исследовании, показывают контролируемое взаимодействие между ионами и окислительно-восстановительными центрами органического материала. Поддержание нейтрального pH позволяет избежать накопления протонов. Предотвращает локальные колебания, которые могут вызвать структурную деградацию.

Инновация органического электрода Hex-TADD-COP

Отрицательный катод не металлический. В его основе лежит ковалентный органический полимер. Выбранный материал под названием Hex-TADD-COP содержит электронодонорные связи, которые улучшают проводимость.

Hex-TADD-COP — это органический материал электродов аккумуляторной батареи. Это полимер с гексагональной структурой, состоящий из молекул, способных обратимо обмениваться электронами. На практике это «химическая губка», которая накапливает и высвобождает заряд при входе и выходе ионов магния или кальция.

Пористая структура облегчает диффузию ионов. Электрохимический анализ указывает на преобладающее псевдоемкостное поведение. Это означает, что значительная часть зарядки происходит за счет быстрых поверхностных процессов. Это приводит к лучшей долгосрочной стабильности.

В качестве положительного электрода используется аналог берлинской лазури (CuFe-PBA). Это материал, уже известный своей структурной стабильностью и обратимостью.

Как долго на самом деле работают батареи, разработанные в ходе исследования?

Гальваностатические испытания показывают стабильность до 120 000 циклов зарядки и разрядки. Потеря емкости минимальна. Для сравнения, многие обычные водные батареи выдерживают несколько тысяч циклов.

На практике ежедневная зарядка теоретически обеспечит срок службы более 300 лет. Это математическая оценка, основанная на количестве протестированных циклов.

Удельная емкость достигает 112,8 мАч/г, что является высоким показателем для водно-органической батареи. В целом устройстве удельная энергия находится в пределах от 40,8 до 48,3 Втч/кг, в зависимости от условий эксплуатации.

Экологические преимущества и критические проблемы

Отсутствие сильных кислот или концентрированных оснований снижает экологический риск. Используемые материалы не содержат критических тяжелых металлов. Система соответствует международным экологическим стандартам, указанным в исследовании, включая GB 18599-2020, ISO 14001 и RCRA.

С нейтральным электролитом можно обращаться с меньшими мерами предосторожности, чем с коррозионными растворами. Этот аспект актуален с точки зрения экономики замкнутого цикла. Упростите конец жизни. Снижает затраты на лечение.

Однако объемная плотность энергии остается ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Исследование признает необходимость улучшения хранения на единицу объема.