Литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня питают все, начиная от смартфонов, которые мы носим в карманах, и заканчивая электромобилями, на которых мы ездим, по прогнозам, в ближайшие годы займут 80% рынка аккумуляторных батарей.

Их популярность объясняется вескими причинами — литий-ионные аккумуляторы обладают большей емкостью, эффективностью и долговечностью, чем другие на современном рынке. Однако они по-прежнему довольно дороги и могут загореться или взорваться в экстремальных условиях.

Два ведущих эксперта по аккумуляторам из Хьюстонского университета утверждают, что литий-ионный аккумулятор золотого стандарта вот-вот получит некоторую конкуренцию. Они делают ставку на простые водные батареи с электролитами на водной основе, которые обычно считаются безопасными, надежными и доступными по цене.

"Идея состоит в том, чтобы разработать усовершенствованные водные батареи, которые могут сочетать в себе лучшую безопасность и более высокое напряжение", - сказали Ян Яо, Хью Рой и Лилли Кранц Каллен, заслуженный профессор электротехники и вычислительной техники и главный исследователь Техасского центра сверхпроводимости при Университете Хьюстона. Яо уже около десяти лет руководит исследованиями материалов и устройств для хранения энергии. Его команда ставит перед собой задачу создать более качественные, безопасные и менее дорогие аккумуляторы.

Яо и Яньлян "Леонард" Лян, доцент-исследователь кафедры электротехники и вычислительной техники, недавно были приглашены Nature Reviews Materials для рассмотрения эволюции перезаряжаемых водных батарей. "Проектирование современных водных аккумуляторов" освещает ключевые достижения за последнее десятилетие и дает рекомендации для новых исследований.

"Наш обзор обширен по объему, потому что мы хотели нарисовать общую картину ландшафта водных батарей", - сказал Лян. "Если мы не понимаем общей картины, мы не можем знать, где будет следующая возможность".

Где сейчас находятся водные аккумуляторы и где они должны быть?

Большой толчок к электрификации практически во всех сферах жизни, растущий спрос на потребительскую электронику и электромобили, а также потребность в достаточных хранилищах для возобновляемых источников энергии приводят к росту спроса на аккумуляторы.

Существующие сегодня коммерческие водные батареи не обладают плотностью энергии и длительным сроком службы, которые необходимо серьезно рассмотреть для крупномасштабного применения, такого как транспортировка и хранение в сети.

Однако Лян и Яо подчеркивают, что инновации, связанные с материалами и химией, в сочетании с другими достижениями в области исследований создали новые возможности для современной, более совершенной формы водных батарей.

Перезаряжаемые водные аккумуляторы обладают многими преимуществами — обилием и дешевизной сырья; минимальными требованиями к условиям производства; невоспламеняемостью; простотой изготовления и высокой мощностью, которая определяет, сколько времени требуется для полной зарядки и разгона от 0 до 60 миль в час.

У них есть свои недостатки— слишком узкое окно термодинамической электрохимической стабильности, неправильные операции, которые могут привести к взрывам, и, конечно же, низкая плотность энергии.

По словам авторов, существуют современные версии, изготовленные из инновационных материалов, которые находятся на ранних стадиях коммерциализации и являются ключевыми разработками в переходе к следующему крупному прорыву в области исследований аккумуляторов.

Цель состоит в том, чтобы создать усовершенствованную водную батарею, способную обеспечить лучшее из обоих миров. "Эта новая батарея на водной основе обеспечит лучшую безопасность и более высокое напряжение", - сказал Яо.

Разработка прорывной водной батареи

Разработка новой и улучшенной версии водной батареи, которая произведет революцию на рынке аккумуляторных батарей, - непростая задача. Это требует знания самых элементарных тонкостей и новых технологий для создания идеального варианта — от смешивания и подбора ионоселективных мембран и покрытий до электролитов с низким содержанием воды, до новых типов электродных реакций и модульной конструкции ячейки.

По словам исследователей, цель состоит в том, чтобы расширить диапазон электрохимической стабильности, позволяя химии батареи работать в более широких диапазонах напряжений и производить больше энергии, что открывает новые возможности.

"То, как мы интегрируем различные компоненты, окажет глубокое влияние в этой области", - сказал Лян. "Мы должны смешивать и сочетать и пробовать новые комбинации. Иногда это приводит к улучшению в одной области, но к компромиссам в другой. Мы должны быть реалистами и продолжать пытаться делать это все лучше и лучше".

Все дело в том, чтобы придумать разумные комбинации, которые обеспечат достижение двух целей - высокой энергии и высокой безопасности.

Лян, чьи исследовательские интересы охватывают все - от твердотельных и водных батарей до многовалентных металлических батарей, а также литиевых и натриевых батарей, надеется, что идеал достижим благодаря современным инструментам и новым открытиям. "Однажды у вас будет водный аккумулятор, который имеет то же напряжение, что и литий-ионный аккумулятор, но он будет безопаснее, потому что он на водной основе", - сказал он.

Однако исследователям придется продолжать стремиться к усовершенствованиям, чтобы превратить надежду в реальность усовершенствованной коммерчески жизнеспособной водной батареи. Это отличный стимул подстегнуть исследователей — водные батареи будущего не только обеспечат больше энергии и безопасности, но и облегчат утилизацию батарей для окружающей среды благодаря используемым материалам.

Яо и Лян недавно запустили стартап под названием LiBeyond для расширения масштабов и дальнейшего развития инновационных аккумуляторных технологий, первоначально разработанных в UH. Они предполагают возможное применение в электромобилях и других областях транспорта для обеспечения энергией целых автопарков и сетевых хранилищ.

"Это будет особенно важно, когда надежность электросети является ключевой, например, во время таких ситуаций, как ураганы, зимние штормы и другие чрезвычайные ситуации", - сказал Яо. Он добавил, что носимые технологии также выиграют от этого развития.

"Одной из ключевых особенностей водных аккумуляторов является безопасность, которая жизненно важна в носимых технологиях, потому что вы "носите" их непосредственно на теле", - сказал он. "Возможности, которые откроют эти современные водные батареи [после их разработки], безграничны".