Wolna woda, czyli cichy sabotażysta
Głównym winowajcą skracającym żywotność wodnych baterii są cząsteczki wody wolnej. Takim mianem określa się molekuły, które nie tworzą silnych wiązań z innymi. Te nieskrępowane cząsteczki łatwo wchodzą w niepożądane reakcje chemiczne na metalowej anodzie. Jak zauważają autorzy najnowszych badań, w takich okolicznościach może dochodzić do reakcji, które zużywają energię i uszkadzają anodę. Czasami mówi się o nich jako o reakcjach pasożytniczych i pomimo znajomości problemu, inżynierowie często pomijali go w badaniach nad chemią baterii. Co ciekawe, procesy reorganizacji cząsteczek wody zachodzą niezwykle szybko, w skali pikosekund. Przy wyższych gęstościach prądu – powyżej 20 mA/cm² – to właśnie szybkość przenoszenia elektronów decyduje o zachodzących na elektrodzie reakcjach.
Czytaj też: Lżejsze niż perowskity i równie wydajne jak krzem. Japończycy testują przełomowe ogniwa chalkopirytowe
Rozwiązanie okazało się zadziwiająco proste. Wystarczyło dodać do elektrolitu sole siarczanowe, np. siarczan cynku, które działają jak swego rodzaju klej molekularny, stabilizując wiązania wolnej wody. W toku prowadzonych obserwacji członkowie zespołu badawczego stwierdzili, że siarczan stabilizuje wiązania wolnej wody. W konsekwencji zachodzi zmiana dynamiki cząsteczek wody, co ma przełożenie na redukcję liczby pasożytniczych reakcji. W konsekwencji elektrolit z siarczanem cynku osiągnął skumulowaną pojemność bliską 2800 mA/cm², co jest wynikiem niemal dziesięciokrotnie lepszym niż w przypadku innych testowanych elektrolitów wodnych przy gęstości prądu 40 mA/cm². Bardzo optymistyczna wydaje się uniwersalność takiego rozwiązania, ponieważ wstępne testy potwierdziły skuteczność soli siarczanowych dla różnych anod metalowych, na przykład cynku, miedzi czy kobaltu.
Długa lista zalet, z najważniejszą na czele
Ogromną zaletą tego odkrycia jest jego przystępność ekonomiczna. Sole siarczanowe należą do najtańszych i najpowszechniej dostępnych związków chemicznych. Poza tym cechują się stabilnością chemiczną, dzięki czemu nowe rozwiązanie jest opłacalne z kilku różnych względów. Szczegółowe ustalenia na ten temat zostały zamieszczone w Science Advances. Autorzy tamtejszej publikacji wykazali, że elektrolit ZnSO4 ma najniższą energię reorganizacji (0,154 eV) spośród testowanych, co oznacza ułatwiony transfer elektronów. Dodatkowo, eksperymenty z wykorzystaniem spektroskopii NMR pokazały, iż sygnał wody w elektrolicie z siarczanem cynku pozostawał stabilny podczas całego cyklu ładowania. Dla porównania, w innych elektrolitach obserwowano stały spadek intensywności sygnału, co jest dowodem na ich niestabilność.
Czytaj też: Nowy polimer pochłania dwutlenek węgla i produkuje cenne związki. Stworzyli go Polacy
Baterie wodne mają szansę stać się ważnym elementem transformacji energetycznej. Ich główne atuty to większe bezpieczeństwo i zrównoważony charakter w porównaniu do urządzeń litowych, zwłaszcza w kontekście magazynowania energii na dużą skalę. Prognozy rynkowe są optymistyczne – według analiz przytoczonych przez KAUST rynek baterii wodnych może przekroczyć 10 miliardów dolarów do 2030 roku. Są one szczególnie obiecujące do współpracy z odnawialnymi źródłami energii, jak farmy słoneczne czy wiatrowe. Ich stabilność i bezpieczeństwo pozwalają na instalację nawet w gęsto zaludnionych obszarach, bez obaw o pożar czy wybuch. Postęp dokonany przez naukowców z Arabii Saudyjskiej wygląda na rozwiązanie, na które branża od dawna czekała. Prosty, tani i potencjalnie uniwersalny sposób na wydłużenie żywotności wodnych baterii to istotny krok w kierunku ich komercjalizacji jako realnej alternatywy dla technologii litowych. Ekonomiczna atrakcyjność i poprawiona trwałość to mocne argumenty, ale ostateczną weryfikację przyniesie dopiero praktyczne wdrożenie i testy w rzeczywistych warunkach.