Эти аккумуляторы отличаются от литий-ионных аккумуляторов, содержащих кобальт. Цель группы по исследованию безметаллических аккумуляторов связана с тем, что она лучше контролирует внутреннюю цепочку поставок, поскольку кобальт и литий передаются на аутсорсинг. Этот более безопасный химический состав также предотвратил бы возгорание аккумуляторных батарей.

Профессор химической инженерии доктор Джоди Латкенхаус и доцент химии доктор Дэниел Табор опубликовали свои выводы о безлитиевых батареях в Природные материалы.

"Больше не было бы возгораний батарей, потому что они на водной основе", - сказал Луткенхаус. "В будущем, если прогнозируется нехватка материалов, цены на литий-ионные аккумуляторы значительно вырастут. Если у нас будет эта альтернативная батарея, мы сможем перейти на эту химию, где поставки намного стабильнее, потому что мы можем производить их здесь, в Соединенных Штатах, и материалы для их изготовления есть здесь ".

Люткенхаус сказал, что водные батареи состоят из катода, электролита и анода. Катоды и аноды представляют собой полимеры, которые могут накапливать энергию, а электролитом является вода, смешанная с органическими солями. Электролит играет ключевую роль в ионной проводимости и накоплении энергии благодаря своему взаимодействию с электродом.

"Если электрод слишком сильно разбухает во время езды на велосипеде, то он не может очень хорошо проводить электроны, и вы теряете всю производительность", - сказала она. "Я полагаю, что существует разница в емкости накопителя энергии на 1000%, в зависимости от выбора электролита из-за эффекта набухания".

Согласно их статье, окислительно-активные, несопряженные радикальные полимеры (электроды) являются многообещающими кандидатами для безметалловых водных батарей из-за высокого напряжения разряда полимеров и быстрой окислительно-восстановительной кинетики. Реакция сложная и трудноразрешимая из-за одновременного переноса электронов, ионов и молекул воды.

"Мы демонстрируем природу окислительно-восстановительной реакции, исследуя водные электролиты различного чао-/ космотропного характера с использованием электрохимических кварцевых микровесов с контролем диссипации в различных временных масштабах", - сообщают исследователи в статье.

Исследовательская группа Табора дополнила экспериментальные усилия компьютерным моделированием и анализом. Моделирование дало представление о структуре и динамике в микроскопическом молекулярном масштабе.

"Теория и эксперимент часто тесно сотрудничают, чтобы понять эти материалы. Одна из новых вещей, которые мы делаем вычислительно в этой статье, заключается в том, что мы фактически заряжаем электрод до нескольких состояний заряда и смотрим, как окружающая среда реагирует на этот заряд", - сказал Табор.

Исследователи макроскопически наблюдали, улучшается ли работа катода батареи в присутствии определенных видов солей, точно измеряя, сколько воды и соли поступает в батарею во время ее работы.

"Мы сделали это, чтобы объяснить то, что было обнаружено экспериментально", - сказал он. "Теперь мы хотели бы распространить наше моделирование на будущие системы. Нам нужно было подтвердить нашу теорию о том, какие силы управляют такого рода впрыском воды и растворителя.

"Благодаря этой новой технологии накопления энергии мы продвинулись вперед к безлитиевым батареям. У нас есть лучшая картина на молекулярном уровне о том, что заставляет некоторые электроды батареи работать лучше, чем другие, и это дает нам убедительные доказательства того, куда двигаться дальше в разработке материалов", - сказал Табор.

Проект финансируется Министерством энергетики США и Национальным научным фондом через Техасскую инженерную экспериментальную станцию A&M.