Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Houston στις ΗΠΑ πιστεύουν ότι ακόμα και οι καλύτερες μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορεί να αντιμετωπίσουν σκληρό ανταγωνισμό από εναλλακτικές λύσεις μπαταριών που βασίζονται σε υδατικούς ηλεκτρολύτες.
Ενώ η ιδέα της χρήσης κυψελών καυσίμου που έχουν ως βάση τους υδατικά διαλύματα ηλεκτρολυτών φαίνεται διαισθητικά παράδοξη, δεδομένης της «προβληματικής» σχέσης μεταξύ του νερού και της ηλεκτρικής ενέργειας, οι μπαταρίες που βασίζονται σε υδατικούς ηλεκτρολύτες, θεωρούνται ασφαλείς, αξιόπιστες και προσιτές.
Επίσης παρά το γεγονός ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται σε ο,τιδήποτε, από κινητά τηλέφωνα έως ηλεκτρικά οχήματα, εμφανίζουν σημαντικά μειονεκτήματα, μεταξύ των οποίων το κόστος παραγωγής και ανάπτυξης όπως επίσης και το υψηλό περιβαλλοντικό κόστος που συνδέεται με την εξόρυξη των απαραίτητων πρώτων υλών. Σημαντικό μειονέκτημα είναι επίσης η αστάθεια των μπαταριών λιθίου κάτω από ορισμένες συνθήκες που μπορεί να οδηγήσει σε έκρηξη ή ακόμη και σε ανάφλεξη.
Επί του παρόντος, οι μπαταρίες που βασίζονται σε υδατικούς ηλεκτρολύτες δεν έχουν την απαραίτητη ενεργειακή πυκνότητα και διάρκεια ζωής για να αποτελέσουν σοβαρή εναλλακτική για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, επομένως δεν είναι έτοιμες για μεγάλης κλίμακας εφαρμογές όπως η αποθήκευση ή η μεταφορά ενέργειας στο πλαίσιο των υπαρχόντων δικτύων. Ωστόσο, νέες εξελίξεις στα πεδία της επιστήμης των υλικών και της χημείας, σηματοδοτούν νέες ευκαιρίες στον ορίζοντα για πιο προηγμένες μορφές αυτής της τεχνολογίας.
«Η ιδέα είναι να αναπτυχθούν προηγμένες μπαταρίες που βασίζονται στα υδατικά διαλύματα, οι οποίες μπορούν να συνδυάζουν ασφάλεια και υψηλότερη τάση», δήλωσαν οι Yan Yao, Hugh Roy και Lillie Cranz Cullen του Texas Center for Superconductivity του Πανεπιστημίου του Houston. Ο Yao ηγείται έρευνας για υλικά και συσκευές αποθήκευσης ενέργειας για περίπου μία δεκαετία. Η ομάδα του στοχεύει να κατασκευάσει καλύτερες, ασφαλέστερες και φθηνότερες μπαταρίες.
Ο Yao και ο Yanliang Leonard Liang, επίκουρος καθηγητής στον τομέα της Επιστήμης των Υπολογιστών, κλήθηκαν πρόσφατα από το έγκριτο περιοδικό Nature Reviews Materials, να πραγματοποιήσουν ανασκόπηση της έρευνας γύρω από τις μπαταρίες που βασίζονται σε υδατικούς ηλεκτρολύτες. «Προχωρήσαμε σε μία εκτεταμένη επισκόπηση της βιβλιογραφίας, επειδή θέλαμε να αποτυπώσουμε όσο το δυνατόν πιο ολοκληρωμένα τη διαθέσιμη πληροφορία για αυτού του τύπου τις μπαταρίες», είπε ο Liang. «Αν δεν κατανοήσουμε τη συνολική εικόνα, δεν μπορούμε να ξέρουμε ποιά θα είναι η επόμενη ευκαιρία».
Ποια είναι η κατάσταση των μπαταριών με υδατικούς ηλεκτρολύτες και τι προσδοκούμε;
Η μεγάλη ώθηση προς τον εξηλεκτρισμό, σχεδόν σε κάθε πτυχή της σύγχρονης ζωής, η αυξανόμενη ζήτηση για ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης και ηλεκτρικά οχήματα και η ανάγκη για επαρκή αποθήκευση ενέργειας για χρήση σε συνδυασμό με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αυξάνουν εκθετικά τη ζήτηση για μπαταρίες.
Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες υδατικών διαλυμάτων ηλεκτρολυτών προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα. Οι πρώτες ύλες που απαιτούν είναι διαδεδομένες, υπάρχουν σε αφθονία και έχουν χαμηλό κόστος. Έχουν ελάχιστες απαιτήσεις για εξειδικευμένα περιβάλλοντα παραγωγής, είναι μη εύφλεκτες, ενώ χαρακτηρίζονται από απλή κατασκευή και υψηλή ισχύ, η οποία καθορίζει πόσο χρόνο χρειάζεται για την πλήρη φόρτιση τους και την επιτάχυνση ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου από 0 έως 100 kph.
Έχουν ωστόσο και μειονεκτήματα. Διαθέτουν στενό εύρος ηλεκτροχημικής σταθερότητας, είναι δυνατόν να παρουσιάσουν ελαττωματική λειτουργία που θα μπορούσε να οδηγήσει σε εκρήξεις, ενώ γενικά διακρίνονται από χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, υπάρχουν σύγχρονες εκδόσεις υδατικών μπαταριών που κατασκευάζονται από καινοτόμα υλικά, οι οποίες βρίσκονται στα πρώτα στάδια εμπορευματοποίησης, ένα βήμα το οποίο αποτελεί βασική εξέλιξη στη μετάβαση στην επόμενη μεγάλη ερευνητική ανακάλυψη γύρω από τις μπαταρίες.
Ο στόχος είναι να δημιουργηθεί μια προηγμένη υδατική μπαταρία που μπορεί να προσφέρει το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα. «Αυτή η νέα μπαταρία με βάση το νερό θα πρέπει να είναι σε θέση να προσφέρει καλύτερη ασφάλεια και υψηλότερη τάση», αναφέρει ο Yao.
Σχεδιάζοντας την εξελιγμένη υδατική μπαταρία
Ο σχεδιασμός της νέας, βελτιωμένης, έκδοσης της υδατικής μπαταρίας που θα φέρει επανάσταση στην αγορά μπαταριών δεν είναι εύκολη υπόθεση. Απαιτείται γνώση των πιο σχετικών επιστημονικών αρχών και των νέων τεχνολογιών για τη δημιουργία της ιδανικής υδατικής μπαταρίας: από τον συνδυασμό και την αντιστοίχιση επιλεκτικών μεμβρανών και επικαλύψεων ιόντων έως ηλεκτρολύτες μικρής περιεκτικότητας σε νερό, νέους τύπους αντιδράσεων όσον αφορά στα ηλεκτρόδια και αρθρωτό σχεδιασμό κυψελών.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, στόχος είναι να διευρυνθεί ιδιαίτερα η ηλεκτροχημική σταθερότητα ώστε η χημεία της μπαταρίας να λειτουργεί σε ευρύτερα όρια τάσης και να παράγει περισσότερη ενέργεια.
«Ο τρόπος με τον οποίο ενσωματώνουμε τα διάφορα στοιχεία θα έχει σημαντικό αντίκτυπο σε αυτόν τον τομέα», είπε ο Liang. «Πρέπει να σχεδιάσουμε και να δοκιμάσουμε νέους συνδυασμούς. Μερικές φορές θα οδηγηθούμε σε βελτίωση σε έναν τομέα, αλλά σε συμβιβασμούς σε έναν άλλο. Πρέπει να είμαστε ρεαλιστές και να συνεχίσουμε να προσπαθούμε να εξελίσσουμε την τεχνολογία». Όλα φυσικά σχετίζονται με τους «έξυπνους» συνδυασμούς που θα επιτύχουν το διπλό στόχο της υψηλής ενέργειας και της υψηλής ασφάλειας.
Ο Liang, του οποίου το ερευνητικό ενδιαφέρον καλύπτει ένα μεγάλο εύρος μπαταριών, από μπαταρίες στερεάς κατάστασης και υδατικές μπαταρίες έως μπαταρίες πολυσθενών μετάλλων, καθώς και μπαταρίες λιθίου και νατρίου, ελπίζει ότι το ιδανικό θα γίνει εφικτό χάρη στα σύγχρονα εργαλεία και τις νέες ανακαλύψεις. «Μια μέρα, θα έχετε μια υδατική μπαταρία που θα έχει την ίδια τάση με την μπαταρία ιόντων λιθίου, αλλά θα είναι ασφαλέστερη επειδή βασίζεται στο νερό», είπε.
Ωστόσο, οι ερευνητές θα πρέπει να συνεχίσουν να επιδιώκουν βελτιώσεις για να κάνουν πραγματικότητα μια προηγμένη και εμπορικά βιώσιμη υδατική μπαταρία. Επιπλέον υπάρχει ένα ακόμη εξαιρετικό κίνητρο για να παρακινηθούν οι ερευνητές: οι υδατικές μπαταρίες του μέλλοντος δε θα προσφέρουν μόνο περισσότερη ενέργεια και ασφάλεια, αλλά θα κάνουν επίσης την απόρριψη των μπαταριών ευκολότερη στο περιβάλλον λόγω των υλικών που χρησιμοποιούνται.
Ο Yao και ο Liang ξεκίνησαν πρόσφατα μια startup που ονομάζεται LiBeyond για να κλιμακώσουν και να αναπτύξουν περαιτέρω καινοτόμες τεχνολογίες μπαταριών που αναπτύχθηκαν αρχικά στο Πανεπιστήμιο του Houston. Οραματίζονται πιθανές εφαρμογές σε ηλεκτρικά οχήματα και άλλους τομείς των μεταφορών για να βοηθήσουν στην τροφοδοσία ολόκληρου του στόλου των οχημάτων και στην αποθήκευση ενέργειας.
«Αυτό θα είναι ιδιαίτερα σημαντικό όταν η αξιοπιστία του δικτύου είναι το κλειδί, δηλαδή σε καταστάσεις όπως τυφώνες, καταιγίδες και άλλες καταστάσεις έκτακτης ανάγκης», είπε ο Yao. Πρόσθεσε ότι οι φορητές τεχνολογίες θα ωφεληθούν επίσης από αυτή την εξέλιξη.
«Ένα από τα βασικά χαρακτηριστικά των υδατικών μπαταριών είναι η ασφάλεια, η οποία είναι ζωτικής σημασίας στις φορητές τεχνολογίες επειδή τις φέρουμε πάνω μας», είπε. «Οι δυνατότητες που θα προσφέρουν οι σύγχρονες υδατικές μπαταρίες, εφόσον φτάσουν στο επιθυμητό επίπεδο, είναι πρακτικά απεριόριστες».
Με πληροφορίες από uh.edu
