Водная батарея

Тип электрической батареи

Водная батарея — это электрическая батарея , в которой в качестве электролита используется раствор на водной основе . Водные батареи известны с 1860-х годов, не обладают плотностью энергии и сроком службы , необходимыми сетевым накопителям и электромобилям ^[1] , но считаются безопасными, надежными и недорогими по сравнению с литий-ионными . ^[2] До 2010-х годов они также имели преимущество в приложениях высокой мощности (например, в аккумуляторных электроинструментах ), но это было преодолено развитием литий-ионной химии. ^[3]

Коммерческая история

Свинцово -кислотный аккумулятор был изобретен Гастоном Планте в 1859 году, хотя для коммерциализации конструкции электролита с разбавленной серной кислотой потребовалось двадцать лет работы нескольких изобретателей. Еще через полвека в 1930-х годах появились современные клапанно-регулируемые («герметичные») аккумуляторы. ^[1]

Щелочные батареи впервые появились на рубеже 20-го века, когда никель-кадмиевые батареи были заменены никель-металлогидридными в 1980-х годах ( никель-водородные батареи были разработаны в 1970-х годах и до сих пор используются на спутниках ). ^[1]

В начале 2020-х годов водные батареи составляли половину рынка аккумуляторных батарей . ^[1]

Преимущества

По сравнению с литий-ионными батареями водные имеют следующие преимущества: ^{[2] [4] [5]}

• безопасность и надежность связаны с негорючестью ( из-за высокого содержания воды; батарея все равно может взорваться при перегреве), высокой устойчивостью к механическому неправильному обращению и устойчивостью к перезарядке (из-за кислородного цикла);
• низкая стоимость основана на дешевом сырье ( серная кислота очень недорога по сравнению, скажем, с гексафторфосфатом лития ), производстве, не требующем бескислородной среды, минимуме электроники за счет присущей безопасности и надежности;
• Высокая скорость реакции обеспечивает более быструю зарядку и разрядку и обеспечивает стабильность в температурном диапазоне.

Недостатки

По сравнению с литий-ионными аккумуляторами имеют следующие недостатки: ^{[6] [4]}

• a narrow electrochemical window: water starts electrolysing at the potential of 1.23 volts. Although a clever choice of materials can stretch the window to 2.3 V, in practice only the lead-acid batteries reach 2 V, with the rest of the designs in production limited to the potential slightly above 1 V, thus greatly limiting the energy density (Li-ion cells typically deliver 3.3–3.9 V). Both volumetric and mass energy densities of the lithium-ion batteries are 2-3 times better;^[7]
• water being an aggressive solvent causes solvation and dissociation of battery components and can cause corrosion, limiting the choice of materials and lifetime of the battery;
• cycle life is an order of magnitude lower.

Research

The aqueous batteries are subject to an extensive research in the 21st century^[5] (with an "astounding" increase in publications since 2015^[4]); the material innovations since the beginning of the century allow better performance that that of the "traditional" aqueous batteries might lead to these batteries evolving into a companion to the lithium-ion ones in the fields of transportation and electricity storage.^[6]

Tahir et al.^[8] identify the following directions of research:

• lithium-ion aqueous battery (LIAB). The first prototype was produced in 1994;
• sodium-ion aqueous battery (SIAB);
• potassium-ion aqueous battery (PIAB);
• zinc-ion aqueous battery (ZIAB);
• magnesium-ion aqueous battery (MIAB);
• aluminum-ion aqueous battery (AIAB).

References

1. Liang & Yao 2022, p. 110.
2. Liang & Yao 2022, p. 111.
3. Pistola 2013, pp. 33–34.
4. Chao et al. 2020, p. 1.
5. Tahir, Agarwal & Csóka 2020, p. 379.
6. Liang & Yao 2022, p. 112.
7. Pistola 2013, p. 33.
8. Tahir, Agarwal & Csóka 2020.

Sources

• Liang, Yanliang; Yao, Yan (15 November 2022). "Designing modern aqueous batteries". Nature Reviews Materials. 8 (2): 109–122. doi:10.1038/s41578-022-00511-3. eISSN 2058-8437.
• Чао, Дунлян; Чжоу, Ваньхай; Се, Фанси; Йе, Чао; Ли, Хуан; Яронец, Метек; Цяо, Ши-Чжан (22 мая 2020 г.). «Дорожная карта для современных водных батарей: от разработки материалов к применению». Достижения науки . 6 (21). doi : 10.1126/sciadv.aba4098. eISSN  2375-2548. ПМК  7244306 . ПМИД  32494749.
• Тахир, Ченар А.; Агарвал, Чару; Чока, Левенте (13 апреля 2020 г.). «Достижения в области «зеленых» ионных батарей с использованием водных электролитов». Аккумуляторные батареи: история, прогресс и применение . Уайли. стр. 379–401. дои : 10.1002/9781119714774.ch16.
• Пистола, Г. (20 мая 2013 г.). «Портативные устройства: аккумуляторы». В Юргене Гарче; Крис К. Дайер; Патрик Т. Мозли; Земпачи Огуми; Дэвид Эй Джей Рэнд; Бруно Скросати (ред.). Энциклопедия электрохимических источников энергии . Ньюнес. п. 33. ISBN 978-0-444-52745-5. OCLC  1136567377.