Globalny zespół naukowców pod kierownictwem Royal Melbourne Institute of Technology w Australii zaprezentował propozycję bezpieczniejszej alternatywy magazynowania energii dla technologii litowo-jonowych. Ich baterie na wodę i jony magnezu nadają się do recyklingu, nie zapalają się ani nie eksplodują. Tymczasem polscy naukowcy zbadali związek oparty na tytanie sodowo-bizmutowym (NBT), który może stać się alternatywą dla bazujących na szkodliwym ołowiu materiałów, wykorzystywanych m.in. w magazynach energii.

„Baterie wodne”, które nie zapalają się ani nie eksplodują

Zdarzające się w ostatnim czasie incydenty związane z zapalaniem się baterii litowo-jonowych powodują obawy społeczeństwa co do posiadania ogromnych baterii w pobliżu swoich domów. Jednak akumulatory te dominują na rynku magazynowania energii ze względu na ich zdolność do przechowywania dużej ilości energii na małej przestrzeni. Pożądane są stabilne i wydajne magazyny energii, ale również bezpieczne dla otoczenia.

Naukowcy Uniwersytetu RMIT w Australii zaprezentowali baterię, w której wykorzystują wodę jako elektrolit. Ich wodny roztwór jonów metali zawiera takie materiały jak magnez i cynk, które według zespołu badaczy „są obfite w przyrodzie, niedrogie i mniej toksyczne niż alternatywy stosowane w innych rodzajach akumulatorów”. Zastosowanie wody do zastąpienia elektrolitów organicznych, umożliwia przepływ prądu elektrycznego między biegunem dodatnim i ujemnym, co oznacza, że ​​ich akumulatory nie mogą wywołać pożaru ani wybuchnąć. Pozwala to na obniżenie kosztów produkcji i zmniejszenie ryzyka dla zdrowia ludzkiego i środowiska.

Wychodząc naprzeciw wyzwaniom związanym z utylizacją wycofanych z eksploatacji baterii, przed którymi stoją konsumenci, przemysł i rządy na całym świecie w związku z obecną technologią magazynowania energii, nasze akumulatory można bezpiecznie zdemontować, a materiały można ponownie wykorzystać lub poddać recyklingowi – ​​podkreślił profesor Tianyi Ma, Uniwersytet RMIT.

Naukowcy wyprodukowali już serię baterii na małą skalę, by przeprowadzić szereg różnych badań. Udało im się zapobiec wzrostowi destrukcyjnych dendrytów, czyli kolczastych formacji metalicznych, które mogą prowadzić do zwarć i innych poważnych usterek. Wyniki badań przedstawiono tutaj: Synergy of Dendrites-Impeded Atomic Clusters Dissociation and Side Reactions Suppressed Inert Interface Protection for Ultrastable Zn Anode

Dzięki zastosowanemu rozwiązaniu, akumulatory mogą działać znacznie dłużej niż akumulatory litowo-jonowe. Części akumulatora pokryto bizmutem i jego tlenkiem jako warstwą ochronną, która zapobiega tworzeniu się dendrytów.

Nasze akumulatory wytrzymują teraz znacznie dłużej – porównywalnie z komercyjnymi akumulatorami litowo-jonowymi dostępnymi na rynku – co czyni je idealnymi do szybkiego i intensywnego użytkowania w rzeczywistych zastosowaniach.(…) Magnez jest lżejszy od metali alternatywnych, w tym cynku i niklu, ma większą potencjalną gęstość energii i umożliwi akumulatorom szybsze ładowanie i lepszą zdolność do obsługi urządzeń i aplikacji energochłonnych – dodał Tianyi Ma

Bezpieczniejsze ale wciąż nie najwydajniejsze

Gęstość energii akumulatorów prezentowanych przez RMIT wciąż odbiega od gęstości akumulatorów litowo-jonowych, które pod tym względem przodują na rynku. Posiadają jednak szereg innych wspomnianych wyżej zalet. Jednak, jak zastrzega zespół z RMIT, trwają intensywne prace nad zwiększeniem gęstości energii akumulatorów wodnych poprzez opracowanie nowych nanomateriałów jako materiałów elektrodowych.

Australijscy naukowcy twierdzą, że ​​produkowane przez nich akumulatory magnezowo-jonowe mają potencjał zastąpienia akumulatorów kwasowo-ołowiowych, które są bezpieczniejsze niż litowo-jonowe, ale o niższej gęstości energii, w ciągu od jednego do trzech lat, a akumulatorów litowo-jonowych w dłuższej perspektywie, za 5–10 lat.

Otwarta droga do projektowania nowatorskich kompozycji 

Swój wkład w rozwój technologii magazynowania energii mogą mięć także polscy naukowcy z Politechniki Warszawskiej, którzy zbadali ciekawe struktury perowskitowe. Prof. Franciszek Krok i dr. inż. Marcin Kryński wraz z resztą zespołu poddali badaniom związek oparty na tytanianie sodowo-bizmutowym (NBT), który może stać się alternatywą dla bazujących na szkodliwym ołowiu materiałów, wykorzystywanych m.in. w magazynach energii. Z badaniem można zapoznać się tutaj: Origin of Polarization in Bismuth Sodium Titanate-Based Ceramics

Wykorzystaliśmy zaawansowane techniki badania struktury i właściwości materiału, m.in. spektroskopię impedancyjną i obliczenia ab initio. Dzięki nim odkryliśmy, że atomy tytanu nie przyczyniają się do polaryzacji w tak dużym stopniu, jak wcześniej sądzono. Kluczową rolę odgrywają za to ruchy atomów tlenu i bizmut, w związkach w których ten kation występuje. Zrozumienie, co stoi za ferroelektrycznością tego materiału, może pomóc nam zrozumieć podobne procesy zachodzące w innych materiałach o podobnych strukturach — mówi dr inż. Marcin Kryński. 

Efekt pracy polskich fizyków oraz innych międzynarodowych zespołów ekspertów pokazuje, że rozwój technologii magazynowania energii nabiera rozpędu.

Źródło:

www.rmit.edu.au
www.fizyka.pw.edu.pl

Zdjęcie:
freepik