Ανακυκλώσιμες Μπαταρίες στον Ορίζοντα: Αντικατάσταση των Οργανικών Ηλεκτρολυτών με Νερό

Μπαταρίες νερού και πυρασφάλεια

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 μια βλάβη που προκαλεί αλυσιδωτή εξάπλωση της φωτιάς σε γειτονικές μπαταρίες. Αυτό απασχολεί ιδιαίτερα τις μεγάλες εγκαταστάσεις αποθήκευσης ενέργειας για το δίκτυο. Οι εύφλεκτοι οργανικοί ηλεκτρολύτες πολλών μπαταριών ιόντων λιθίου συμβάλλουν στον κίνδυνο πυρκαγιάς. Ο ηλεκτρολύτης επιτρέπει τη μεταφορά ιόντων μεταξύ ανόδου και καθόδου.

Ερευνητές του RMIT στην Αυστραλία διερευνούν μια πιθανή λύση: την αντικατάσταση των οργανικών ηλεκτρολυτών με υδατικούς ηλεκτρολύτες. Επικεφαλής της ομάδας είναι ο καθηγητής Tianyi Ma (αριστερά), σε συνεργασία με τον δρα Lingfeng Zhu (δεξιά).

Πηγή: RMIT

Οι λεγόμενες μπαταρίες νερού είναι μπαταρίες μεταλλικών ιόντων με υδατικό ηλεκτρολύτη. Ο μη εύφλεκτος ηλεκτρολύτης περιορίζει έναν σημαντικό μηχανισμό ανάφλεξης. Η επιλογή υλικών όπως το μαγνήσιο και ο ψευδάργυρος μπορεί επίσης να μειώσει το κόστος και την τοξικότητα σε σύγκριση με άλλες χημικές συνθέσεις. Αυτό δεν σημαίνει ότι κάθε υδατική μπαταρία είναι απαλλαγμένη από κάθε κίνδυνο.

Οι δυνατότητες των μπαταριών νερού

Οι ερευνητές χρησιμοποιούν υλικά όπως ο ψευδάργυρος και το μαγνήσιο, τα οποία είναι άφθονα και σχετικά οικονομικά. Οι απλές διαδικασίες κατασκευής θα μπορούσαν να διευκολύνουν τη μαζική παραγωγή, εφόσον η τεχνολογία ωριμάσει.

Οι συσκευές αποθήκευσης με υδατικούς ηλεκτρολύτες μπορούν να χρησιμοποιούν διαφορετικά ιόντα. Στις υπό μελέτη τεχνολογίες περιλαμβάνονται οι μπαταρίες ιόντων μαγνησίου και ιόντων αμμωνίου.

Η ομάδα του καθηγητή Ma εργάζεται για την εμπορική αξιοποίηση αυτών των τεχνολογιών, αντιμετωπίζοντας προβλήματα απόδοσης και διάρκειας ζωής.

Ένα παράδειγμα είναι η βελτίωση ηλεκτροδίων μαγγανίου για υδατικούς πυκνωτές ιόντων μαγνησίου. Η σχετική εργαστηριακή μελέτη ανέφερε ενεργειακή πυκνότητα128,39 Wh/kg και διατήρηση του 85% της χωρητικότητας μετά από 6.000 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης. Τα στοιχεία αυτά αφορούν το πειραματικό σύστημα και τις συνθήκες της μελέτης· δεν αποτελούν προδιαγραφές έτοιμου εμπορικού συσσωρευτή.

Οι ηλεκτροχημικές ιδιότητες και τα πλεονεκτήματα ασφάλειας του υδατικού ηλεκτρολύτη καθιστούν αυτόν τον πυκνωτή ιόντων μαγνησίου (MIC) υποψήφιο για αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας. Η μελέτη εξετάζει επίσης πώς η ταυτόχρονη δημιουργία ατελειών κατιόντων και ανιόντων στο υλικό του ηλεκτροδίου επηρεάζει την απόδοσή του.

Πηγή: Energy Storage Materials

Αντιμετώπιση των δενδριτών

Ένα άλλο πρόβλημα είναι η σταδιακή ανάπτυξη δενδριτών: αιχμηρών μεταλλικών σχηματισμών που μπορούν να προκαλέσουν βραχυκυκλώματα και άλλες σοβαρές βλάβες. Ορισμένες υδατικές μπαταρίες είναι επίσης ευάλωτες σε αυτόν τον μηχανισμό.

Στη σχετική μελέτη, οι ερευνητές επικάλυψαν τα ευάλωτα μέρη της μπαταρίας με βισμούθιο και οξείδιό του. Το προστατευτικό στρώμα εμπόδισε τον σχηματισμό δενδριτών στις συνθήκες των δοκιμών.

Η ομάδα ανέφερε βελτιωμένη διάρκεια ζωής, συγκρίσιμη με εκείνη εμπορικών μπαταριών ιόντων λιθίου. Η ασφάλεια και η αντοχή καθιστούν την τεχνολογία ενδιαφέρουσα για αποθήκευση ενέργειας στο δίκτυο, χωρίς να αποδεικνύουν ακόμη καθολική υπεροχή ή εμπορική ετοιμότητα. Εξετάσαμε και άλλες εναλλακτικές στο άρθρο «Το μέλλον της αποθήκευσης ενέργειας: τεχνολογίες μπαταριών για το δίκτυο», μαζί με εταιρείες που επιδιώκουν την εμπορική αξιοποίησή τους.

Τον Φεβρουάριο του 2024, ο καθηγητής Tianyi Ma εκτίμησε ότι οι υδατικές μπαταρίες ιόντων μαγνησίου θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν ορισμένες μπαταρίες μολύβδου-οξέος μέσα σε ένα έως τρία χρόνια και, ενδεχομένως, μπαταρίες ιόντων λιθίου σε πέντε έως δέκα χρόνια. Πρόκειται για ερευνητική πρόβλεψη, όχι για εγγυημένο χρονοδιάγραμμα.

Είναι οι μπαταρίες νερού το μέλλον;

Οι μπαταρίες για το ηλεκτρικό δίκτυο μπορεί να διαφέρουν σημαντικά από τις μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων, επειδή οι απαιτήσεις τους διαφέρουν:

• Οι μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων πρέπει να συνδυάζουν μικρό βάρος και όγκο με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και γρήγορη φόρτιση.
• Οι μπαταρίες για το δίκτυο χρειάζονται κυρίως χαμηλό κόστος, μεγάλη διάρκεια ζωής, ασφάλεια και υλικά διαθέσιμα σε μεγάλες ποσότητες.

Ακόμη και στην αποθήκευση για το δίκτυο, διαφορετικές χημικές συνθέσεις πιθανότατα θα συνυπάρχουν για πολλά χρόνια.

Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε τύπος θα έχει τα δικά του πλεονεκτήματα και τις δικές του χρήσεις, όπως διαφορετικούς χρονικούς ορίζοντες: αποθήκευση ενέργειας για τον κύκλο ημέρας και νύχτας ή για εβδομάδες κάθε φορά.

Η επέκταση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας αυξάνει την ανάγκη για αποθήκευση και ευελιξία του δικτύου. Η διαφοροποίηση των υλικών των μπαταριών μπορεί να περιορίσει την πίεση στις αλυσίδες εφοδιασμού. Ενδεικτικά υλικά είναι τα εξής:

• Ψευδάργυρος (μπαταρίες ψευδαργύρου)
• Μαγνήσιο (μπαταρίες ιόντων μαγνησίου)
• Μαγγάνιο (υλικά ηλεκτροδίων σε διάφορες χημικές συνθέσεις)
• Βανάδιο (μπαταρίες οξειδοαναγωγικής ροής)
• Αντιμόνιο (μπαταρίες υγρών μετάλλων)
• Θείο (μπαταρίες νατρίου-θείου)

Η εμπορική ωρίμανση των υδατικών μπαταριών ιόντων μαγνησίου παρέμενε ερευνητική πρόκληση το 2024. Υπήρχαν ήδη συνεργασίες με τη βιομηχανία: το RMIT ανέφερε συνεργασία με την GrapheneX για την ανάπτυξη μπαταριών νερού. Η μετάβαση από τα εργαστηριακά πρωτότυπα στη μαζική παραγωγή χρειάζεται περαιτέρω τεκμηρίωση και ανάπτυξη.