Ανακυκλώσιμες Μπαταρίες στον Ορίζοντα: Αντικατάσταση των Οργανικών Ηλεκτρολυτών με Νερό

Μπαταρίες Νερού & Ασφάλεια από Πυρκαγιά

Για χρόνια, οι μπαταρίες λιθίου‑ιόντων είναι η κυρίαρχη μορφή μπαταρίας στην αγορά, τόσο για ηλεκτρονικές συσκευές όσο και για ηλεκτρικά οχήματα. Αυτό οφείλεται στο εξαιρετικό τους προφίλ όσον αφορά την ενεργειακή πυκνότητα και τη συνολική ασφάλεια. Ωστόσο, όταν αποτυγχάνουν, τείνουν να το κάνουν με εντυπωσιακό τρόπο, προκαλώντας πολύ έντονες πυρκαγιές που είναι δύσκολο να σβηστούν. Αυτό αποτελεί επίσης πρόβλημα όταν οι μπαταρίες βρίσκονται στο τέλος της ζωής τους και χρειάζονται ανακύκλωση.

Το χειρότερο σενάριο είναι όταν μια αποτυχία μπαταρίας προκαλεί αλυσίδα πυρκαγιών σε γειτονικές μπαταρίες, ένα πολύ πραγματικό ζήτημα όταν πρόκειται για την κατασκευή πάρκων μπαταριών με λιθίου‑ιόντων για μεγάλα συστήματα κλίμακας κοινής ωφέλειας. Ο κίνδυνος πυρκαγιάς στις μπαταρίες λιθίου προέρχεται κυρίως από τα εύφλεκτα οργανικά ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση του άνοδο και του καθόδου της μπαταρίας.

Researchers at the RMIT στην Αυστραλία might have found a solution αντικαθιστώντας τους ηλεκτρολύτες με νερό. Η ομάδα ηγείται από τον Prof. Tianyi Ma (αριστερά), ο οποίος συνεργάστηκε στο έργο με τη Dr. Lingfeng Zhu (δεξιά).

Πηγή: RMIT

Οι λεγόμενες μπαταρίες νερού, ή υδρόφιλες μπαταρίες μετάλλου‑ιόντων, δεν μπορούν να ξεκινήσουν πυρκαγιά ή να εκραγούν. Επίσης έχουν πολύ χαμηλή τοξικότητα για τους ανθρώπους και το περιβάλλον.

Υποσχέσεις Μπαταριών Νερού

Ο σχεδιασμός των μπαταριών νερού βασίζεται σε απλά στοιχεία όπως ο ψευδάργυρος και το μαγνήσιο, τα οποία είναι άφθονα και με χαμηλή τοξικότητα, μειώνοντας το κόστος παραγωγής και καθιστώντας τα εύκολα για μαζική παραγωγή.

Στην πράξη, αυτό σημαίνει ότι οι μπαταρίες νερού μπορούν να εμφανιστούν σε διάφορες μορφές. Για παράδειγμα, είναι σε σχήμα μπαταρία μαγνήσιο‑ιόντων or αμμωνία‑ιόντων.

And Prof. Tianyi’s team is working on making these batteries commercially viable by solving the details that have hindered their adoption so far.

One example is the improvement of a manganese electrode, creating capacitors using Magnesium and manganese and achieving “128,39 Wh/kg με εξαιρετικά μακρά δυνατότητα κυκλώματος, παρέχοντας 85 % διατήρηση χωρητικότητας μετά από 6000 κύκλους“

Οι εξαιρετικές ηλεκτροχημικές ιδιότητες και οι κρίσιμες συνέπειες ασφαλείας ενός υδρόφιλου ηλεκτρολύτη καθιστούν αυτό το υδρόφυτο MIC υποσχόμενο για εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας μεγάλης κλίμακας. Επιπλέον, η στρατηγική του concept κατασκευής διπλών ελαττωμάτων κατιόν‑ανιόν πρέπει να προσφέρει ουσιώδεις γνώσεις για την κατασκευή επαναφορτιζόμενων μπαταριών βασισμένων σε μεταλλικά ιόντα.

Πηγή: Energy Storage Material

Επίλυση των Δενδρίτων

Ένα άλλο πρόβλημα που αντιμετωπίζουν οι περισσότερες μπαταρίες είναι η προοδευτική ανάπτυξη των δένδριων στην μπαταρία. Τα δένδρα είναι αιχμηρές μεταλλικές δομές που, με την πάροδο του χρόνου, μπορούν να δημιουργήσουν συντομεύσεις (και πυρκαγιά στην περίπτωση των λιθίου‑ιόντων). Οι μπαταρίες νερού είναι επίσης ευάλωτες στο πρόβλημα των δένδριων.

Αντιστρώνοντας τα μεταλλικά μέρη της μπαταρίας με βισμούθιο, δημιουργείται ένα προστατευτικό στρώμα που εμποδίζει το σχηματισμό των δένδριων.

Αυτό καθιστά τις νέες μπαταρίες σημαντικά πιο ανθεκτικές από τις μπαταρίες λιθίου‑ιόντων, καθιστώντας τες κατάλληλες για εντατική χρήση όπως πακέτα μπαταριών κλίμακας κοινής ωφέλειας, ή ακόμη και εμπορικά οχήματα. Ιδιαίτερα επειδή είναι πολύ πιο ασφαλείς, αποτελούν καλό υποψήφιο για την επέκταση της επιλογής εναλλακτικών χημικών προς το λιθίου‑ιόντων, ειδικά για κλίμακα κοινής ωφέλειας (κάτι που εξετάσαμε περαιτέρω στο άρθρο μας «The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech», συμπεριλαμβανομένων των εταιρειών που εργάζονται για την εμπορική τους κλίμακα).

“Οι μπαταρίες νερού μαγνήσιο‑ιόντων έχουν τη δυνατότητα να αντικαταστήσουν τις μπαταρίες μολύβδου‑οξέος βραχυπρόθεσμα – περίπου ένα έως τρία χρόνια – και να αντικαταστήσουν ενδεχομένως τις μπαταρίες λιθίου‑ιόντων μακροπρόθεσμα, 5 έως 10 χρόνια από τώρα.”

Pr Tianyi Ma

Είναι οι Μπαταρίες Νερού το Μέλλον;

Utility-scale batteries will likely be radically different from EV batteries, as the two do not operate under the same constraints:

• Οι μπαταρίες EV πρέπει να είναι ελαφριές και μικρές, με πολύ υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και να φορτίζονται γρήγορα.
• Οι μπαταρίες κλίμακας κοινής ωφέλειας πρέπει να είναι φθηνές, πολύ ανθεκτικές, σταθερές/ασφαλείς και να βασίζονται σε άφθονα υλικά που μπορούν να προμηθευτούν σε τεράστιες ποσότητες.

And even in the field of utility-scale batteries, several chemistries will likely share the market for years, if not decades.

This is because each will have its own advantages and use cases, like different timeframes, storing energy for the night/day cycle or for weeks at a time.

And because in any case, mass adoption of renewables means mass adoption of batteries, and diversifying materials will avoid a price shock on metals that are not rare, but not in massive oversupply either, like:

• Ψευδάργυρος (μπαταρίες ψευδαργύρου)
• Μαγνήσιο (μαγνήσιο‑ιόντων)
• Μαγγάνιο (μεταλλικές υδρογόνου μπαταρίες)
• Βανάδιο (μπαταρίες ροής ερυθρού)
• Αντίστροφο (λιωτές μεταλλικές μπαταρίες)
• Θείο (νατριο‑θειικές μπαταρίες)

There are currently no companies working on bringing magnesium-ion batteries to the market. But this might change soon, considering the various other chemistry combinations that are progressing toward mass production.