Un nou design de baterie pe bază de apă este mai sigur și mai eficient din punct de vedere energetic decât bateriile tradiționale cu litiu-ion, susțin cercetătorii chinezi.
Bateria cu apă are o durată de viață de peste 1.000 de cicluri de încărcare-descărcare, a raportat echipa pe 23 aprilie în jurnal. Energia Naturii.
Una dintre cele mai importante proprietăți ale oricărei baterii este densitatea energiei – câtă energie conține bateria în raport cu dimensiunea sau greutatea sa. Bateriile litiu-ion au o densitate de energie deosebit de mare și sunt utilizate pe scară largă în mașinile electrice și dispozitivele portabile. Cu toate acestea, componenta lichidă, cunoscută sub numele de electrolit, conține de obicei substanțe chimice organice care pot lua foc sau pot exploda dacă sistemul se supraîncălzi.
Legate de: Cum funcționează bateriile electrice și ce le afectează proprietățile?
În schimb, bateriile pe bază de apă sunt mult mai sigure, dar au, în general, o densitate de energie mai mică datorită ferestrei înguste de tensiune în care funcționează. Cu toate acestea, prin piratarea chimiei care are loc în interiorul electrolitului de apă, echipa lui Li a sporit dramatic atât densitatea de energie, cât și performanța generală a bateriilor apoase.
Soluțiile de electroliți sunt de fapt un amestec de multe substanțe chimice diferite, fiecare controlând un aspect diferit al performanței bateriei. Aditivii numiți mediatori ajută la mișcarea electronilor prin soluție, trecând printr-o serie de reacții de oxidare și reducere (redox).
Pentru bateriile apoase, cel mai comun mediator este iodul: printr-o succesiune de reacții redox individuale, acest element halogen poate transfera până la șase electroni pe ciclu, transformând iodura (I–) în iod (IO3–). Cu toate acestea, ratele lente de reacție și produsele secundare nedorite înseamnă că acest aditiv are ca rezultat, de obicei, o baterie cu densitate energetică scăzută.
Pentru a îmbunătăți eficiența acestei secvențe redox mediatoare (și, prin urmare, densitatea globală de energie), Xianfeng Li de la Academia Chineză de Științe, iar colegii au dezvoltat un electrolit cu halogen mixt, care conține atât ioni I– cât și ioni de bromură (Br–) într-o soluție acidă. Introducerea bromului, un alt element halogen capabil să transfere electroni, a oferit o piatră de temelie pentru această chimie dificilă, mărind viteza de reacție și suprimând formarea de produse secundare neplăcute.
Prin analize electrochimice și spectroscopice detaliate, echipa a demonstrat că ionii de bromură au participat la reacțiile redox alături de iodură, formând un intermediar vital și sporind viteza și eficiența secvenței de transfer de electroni.
Cercetătorii au început apoi o serie de experimente pentru a evalua impactul acestui electrolit „hetero-halogen” asupra performanței generale a mai multor tipuri de baterii obișnuite, folosind diferite materiale ca terminale negative (anozi).
Noul electrolit aproape a dublat densitatea de energie în comparație cu bateriile litiu-ion standard atunci când sunt utilizate cu anozi de cadmiu, care se găsesc de obicei în dispozitivele portabile de mare energie, cum ar fi uneltele electrice. . Între timp, sistemele cu vanadiu, care sunt adesea atașate la centralele electrice și la generatoarele de energie regenerabilă pentru stocarea energiei în rețea, au demonstrat durate de viață deosebit de lungi, menținând performanța de vârf pe mai mult de 1.000 de cicluri de încărcare-descărcare.
În ambele cazuri, echipa a raportat o eficiență energetică îmbunătățită și a calculat că sistemul hetero-halogen apos ar fi competitiv din punct de vedere al costurilor în comparație cu tehnologiile actuale cu ioni de litiu.
Echipa speră că această îmbunătățire substanțială a performanței va duce la o utilizare mai largă a bateriilor pe bază de apă ca o alternativă mai sigură, cu densitate energetică ridicată, la sistemele existente.