Ученые из Университета науки и технологий имени Короля Абдаллы в Саудовской Аравии нашли главную причину, по которой аккумуляторы на водной основе никому не приносят хлопот. Оказывается, все дело в поведении самой воды внутри батареи. Результаты их работы, которые опубликовали в журнале Science Advances, показывают: обычная вода сокращает срок службы и ухудшает характеристики батареи. Но решение нашли простое и недорогое — добавить в электролит специальные соли, например, сульфат цинка. Это нехитрое действие уменьшает вредное влияние воды и увеличивает жизнь батареи больше чем в десять раз.

Сердце любой батареи — это ее анод, отрицательный электрод. Именно на нем происходят химические реакции, которые копят и отдают энергию. Проблема в том, что параллельно с этим идут и побочные, паразитные реакции. Они постепенно разрушают анод, и батарея выходит из строя. Новое исследование объясняет, как в этом участвует вода.

Профессор Хусам Альшариф, руководивший работой, говорит:

Наши выводы подчеркивают важность структуры воды в химии батарей — это ключевой параметр, которым раньше пренебрегали.

Все дело в так называемой «свободной воде». Это молекулы воды, которые не связаны прочными связями с другими веществами. Такие свободные молекулы очень активны и вступают в ненужные реакции, тратя энергию впустую и повреждая анод.

Команда обнаружила, что сульфат-ионы действуют как своего рода «водяной клей». Они крепко связывают свободные молекулы воды, успокаивают их и не дают участвовать в паразитных процессах. Хотя основные эксперименты проводили с сульфатом цинка, первые испытания показали, что сульфат так же хорошо работает и с другими металлическими анодами. Это намекает, что добавление сульфатных солей может стать универсальным решением для продления жизни всех водных аккумуляторов.

Исследователь Юнпей Чжу, который проводил большую часть опытов, подтверждает:

Сульфатные соли дешевы, широко распространены и химически стабильны. Это делает наше решение не только научно обоснованным, но и экономически выгодным.

Водные аккумуляторы — это многообещающая технология для хранения энергии в больших масштабах. В отличие от литиевых батарей, они гораздо безопаснее и экологичнее. Их особенно удобно использовать для сохранения энергии от солнца или ветра и последующей подачи в электрические сети. Ожидается, что к 2030 году мировой рынок таких батарей превысит 10 миллиардов долларов.

Почему водные батареи лучше литиевых для больших проектов:

• Безопасность: Риск возгорания или взрыва практически отсутствует.
• Экологичность: Не требуют редких или токсичных материалов.
• Дешевизна: Используют доступные компоненты, такие как вода и соли.

Реальная польза этого исследования колоссальна, если говорить о переходе на возобновляемую энергетику. Солнце и ветер дают энергию неравномерно, и нам критически нужны дешевые, большие и безопасные «банки» для ее хранения. Литий-ионные батареи для этого дороговаты и пожароопасны. Водные аккумуляторы — идеальный кандидат, но их короткий век был главным тормозом. Открытие команды из KAUST — это не просто увеличение срока службы в 10 раз. Это потенциальное снижение стоимости хранения энергии в разы. Представьте себе районы, где можно будет ставить огромные накопители энергии от солнечных парков, не опасаясь пожаров и не разоряясь на замене батарей каждые несколько лет. Это исследование закладывает фундамент для действитеьно устойчивой энергетики будущего.

Основное замечание касается масштабируемости. Исследование, судя по тексту, проводилось в лабораторных условиях. Между успешным экспериментом на столе и коммерческим продуктом, который работает годы в реальной сети при перепадах температур, нагрузок и с неидеальными материалами, — дистанция огромного размера. Не факт, что эффект «водяного клея» будет столь же стабилен и эффективен в батарее размером с контейнер после тысяч циклов заряда-разряда. Кроме того, статья упоминает, что ранние испытания показали универсальность сульфата для других металлов, но это требует глубокой и отдельной проверки для каждого конкретного химического состава батареи.

Ранее ученые-химики пересмотрели рецепт аккумуляторов.