O singură baterie ar putea stoca energie și transforma apa de mare în apă dulce

Noile baterii cu ioni de sodiu ar putea rezolva simultan două crize globale majore: stocarea eficientă a energiei regenerabile și lipsa apei potabile. Un studiu publicat în 2023 de cercetătorii britanici demonstrează cum o singură tehnologie poate stoca curent și realiza, în același timp, desalinizarea apei de mare. Dezvoltată la Advanced Technology Institute din cadrul Universității din Surrey, Marea Britanie, tehnologia contestă direct convingerea științifică potrivit căreia umiditatea distruge materialele bateriilor.

Cercetătorii de la Universitatea din Surrey au descoperit că un material pentru baterii pe bază de sodiu funcționează mult mai bine atunci când conținutul lui natural de apă este păstrat. În mod obișnuit, apa se elimină, fiindcă umiditatea trece drept dăunătoare pentru materialele bateriilor. Aici, păstrarea ei a dus la o îmbunătățire spectaculoasă. Rezultatele provin însă din teste de laborator, iar cercetarea se află într-un stadiu incipient.

Ce diferență este între bateriile cu litiu și cele cu sodiu?

În timp ce litiul implică extracții costisitoare și poluante, sodiul este abundent și mai sigur. De altfel, giganți industriali precum CATL lucrează deja la industrializarea sistemelor pe bază de sodiu, noutatea acestui studiu britanic fiind funcția duală a bateriei.

Bateriile cu ioni de litiu alimentează astăzi majoritatea smartphone-urilor, laptopurilor, vehiculelor electrice și multe sisteme mari de stocare a energiei. Pot stoca energie în cantități substanțiale, dar litiul și o parte dintre celelalte materiale folosite pot fi costisitor de obținut și pot veni cu costuri de mediu semnificative.

Sodiul e mult mai comun și mai larg răspândit. Se găsește în apa de mare, în zăcămintele de sare și în multe minerale, ceea ce îl face un candidat atractiv pentru stocarea energiei la costuri mai mici. Bateriile cu ioni de sodiu funcționează în mare parte ca cele cu litiu: particulele de sodiu încărcate se deplasează între doi electrozi, pe măsură ce bateria se încarcă și se descarcă.

Principalul obstacol a fost performanța. Multe materiale folosite în bateriile cu ioni de sodiu nu pot încă rivaliza cu tehnologia pe litiu în privința cantității de energie stocate, a vitezei de încărcare sau a duratei de viață utile.

Apa lăsată în material a îmbunătățit performanța

Într-un studiu publicat în Journal of Materials Chemistry A, cercetătorii au examinat oxidul de sodiu-vanadiu, un material care conține sodiu și care e studiat de ani de zile.

Atenția lor s-a concentrat pe o formă numită hidrat de vanadat de sodiu nanostructurat (NVOH). Termenul hidrat înseamnă că moleculele de apă sunt integrate în structura materialului. Nanostructurat se referă la caracteristici proiectate la o scară extrem de mică, unde modificările de formă și de dispunere pot influența puternic felul în care ionii se deplasează prin baterie.

În loc să încălzească materialul pentru a scoate apa, echipa a testat ce se întâmplă dacă apa rămâne înăuntru.

Rezultatul a fost o îmbunătățire semnificativă. Materialul hidratat a stocat o cantitate mult mai mare de sarcină, s-a încărcat mult mai rapid și a continuat să funcționeze fiabil peste 400 de cicluri de încărcare. Un ciclu de încărcare înseamnă o utilizare completă a bateriei, de la încărcare la descărcare și înapoi.

În testele de laborator, versiunea care conține apă a reținut aproape de două ori mai multă încărcare decât materialele tipice pe bază de ioni de sodiu. Acest nivel de performanță l-a plasat printre cele mai bune materiale catodice raportate pentru acest tip de baterie.

Catodul este unul dintre cei doi electrozi principali ai unei baterii. El are un rol central în stocarea și eliberarea particulelor încărcate, așa că îmbunătățirea catodului poate crește semnificativ capacitatea și performanța generală a bateriei.

„Rezultatele noastre au fost complet neașteptate. Oxidul de sodiu-vanadiu este cunoscut de ani de zile, iar oamenii îl supun de obicei unui tratament termic pentru a elimina apa, deoarece se crede că aceasta cauzează probleme. Am decis să contestăm această presupunere, iar rezultatul a fost mult mai bun decât ne-am așteptat. Materialul a demonstrat o performanță și o stabilitate mult mai ridicate decât se aștepta și ar putea chiar să deschidă noi posibilități interesante privind modul în care aceste baterii vor fi utilizate în viitor”, a declarat dr. Daniel Commandeur, cercetător la Facultatea de Chimie și Inginerie Chimică a Universității din Surrey și autor principal al articolului.

Studiul confirmă că oxidul de sodiu-vanadiu (NVOH) a funcționat fiabil peste 400 de cicluri de încărcare/descărcare. Totuși, specialiștii subliniază că adaptarea catodului pentru un mediu extrem de coroziv pe termen foarte lung, precum apa de mare netratată la scară industrială, reprezintă următoarea provocare inginerească.

Materialul a rezistat și în apă sărată, unde a început să scoată sarea

Cercetătorii au introdus apoi materialul în apă sărată, un mediu deosebit de solicitant pentru componentele bateriilor. Apa sărată poate declanșa reacții chimice nedorite și poate încurca mișcarea ionilor, îngreunând funcționarea multor materiale.

În aceste condiții, hidratul de vanadat de sodiu a continuat totuși să funcționeze eficient.

Sistemul a început, în plus, să elimine sarea dizolvată. Materialul pe bază de sodiu a extras sodiul din apă, în timp ce un electrod de grafit a eliminat clorura. Sodiul și clorura sunt principalele două componente încărcate ale sării obișnuite.

Procesul se numește desalinizare electrochimică. În loc să se bazeze doar pe presiune sau pe căldură pentru a separa sarea de apă, desalinizarea electrochimică folosește reacții electrice și electrozi special aleși pentru a scoate din soluție particulele încărcate de sare.

„Posibilitatea de a utiliza vanadatul de sodiu hidratat în apă sărată este o descoperire cu adevărat interesantă, deoarece demonstrează că bateriile cu ioni de sodiu ar putea face mai mult decât să stocheze energie — ele ar putea contribui, de asemenea, la eliminarea sării din apă. Pe termen lung, aceasta înseamnă că am putea proiecta sisteme care utilizează apa de mare ca electrolit complet sigur, gratuit și abundent, producând în același timp apă dulce ca parte a procesului”, a adăugat Commandeur.

Electrolitul este substanța care permite particulelor încărcate să se deplaseze între electrozii unei baterii. Majoritatea bateriilor comerciale folosesc electroliți lichizi sau solizi, cu o formulă specială. Dacă apa de mare ar putea prelua, în cele din urmă, acest rol în mod sigur și eficient, s-ar reduce costurile cu materialele, iar sistemul ar căpăta o a doua funcție.

O singură tehnologie ar putea stoca energie și produce apă dulce

Rezultatele ridică posibilitatea unor dispozitive viitoare care combină stocarea energiei cu tratarea apei. Astfel de sisteme ar putea prelua electricitatea produsă de panouri solare sau de turbine eoliene, scoțând în același timp sarea din apa de mare.

Ar fi deosebit de util în regiunile de coastă, unde accesul la apă dulce e limitat, dar apa de mare și energia regenerabilă sunt la îndemână. Cercetarea se află însă într-un stadiu incipient, iar până ca abordarea să ajungă în baterii comerciale sau în sisteme mari de desalinizare mai sunt necesare teste.

Descoperirea ar putea totodată să întărească argumentele în favoarea bateriilor cu ioni de sodiu ca alternativă la tehnologia pe litiu. Fiindcă sodiul e abundent și relativ ieftin, sistemele cu ioni de sodiu ar putea deveni o opțiune mai sigură și mai durabilă pentru stocarea energiei regenerabile în rețeaua electrică sau pentru alimentarea vehiculelor electrice.

Metoda echipei de la Surrey ar putea, de asemenea, să simplifice producția de baterii. În loc să adauge o etapă de fabricație pentru scoaterea apei din material, producătorii ar putea eventual s-o lase acolo, obținând în același timp o performanță mai bună.

Contestând o ipoteză de lungă durată despre umiditate, cercetătorii au găsit o cale simplă de a îmbunătăți un material de baterie deja existent. Rezultatele lor apropie stocarea de energie cu ioni de sodiu de înaltă performanță de utilizarea practică și sugerează un viitor în care un singur dispozitiv ar putea atât să stocheze energie curată, cât și să contribuie la transformarea apei de mare în apă dulce.

Dacă această alternativă la litiu va depăși faza de scalare tehnologică, dispozitivele viitorului ar putea transforma fundamental zonele de coastă: captând energia eoliană și solară, în timp ce furnizează o sursă constantă de apă dulce.