Ett team bestående av kemiska och biomolekylära ingenjörer, fysiker och batterispecialister vid flera institutioner i USA har utvecklat ett vattenbaserat batteri som är stabilt i 2.000 cykler. I sin artikel som publicerats i tidskriften Nature Nanotechnology beskriver gruppen varför de tror att det kan bidra till att överbrygga klyftan mellan vattenbaserade batterier och icke-vattenbaserade litiumjonbatterier.
Den största fördelen med att använda vattenbatterier är deras säkerhet jämfört med icke-vattenhaltiga litiumjonbatterier. De kan inte antändas oväntat, vilket minimerar brandrisken. Anledningen till att de inte är vanliga är deras gräns för reduktionspotential för vattenhaltiga elektrolyter, vilket har begränsat deras energitäthet. De nuvarande typerna av elektrolyter som används tenderar också att ha problem med vatten som rör sig mellan gränssnitten och hög impedans.
I den nya studien har forskargruppen tagit ett steg mot att lösa dessa problem genom att förbättra jontransporten och stabiliteten hos bifasiska elektrolyter med hjälp av litiumjonoforer.
För att tillverka sitt nya batteri använde forskarna Li+ (jonofor) nanoclusters med 12-crown-4 (12C4) och tetraglyme (G4) som ett sätt att förbättra batteriets bifasiska elektrolyter. De kunde göra detta genom att utveckla en vattenhaltig/organisk tvåskiktselektrolyt, vilket ledde till en minskning av motståndet och ett sätt att blanda de icke-vattenhaltiga och vattenhaltiga faserna med hjälp av litofila jonoforer.
Under både vattenhaltiga och icke-vattenhaltiga faser övervann detta gränssnittsutmaningar som andra vattenhaltiga batterielektrolyter står inför. Det gjorde det också möjligt för batteriet att uppnå både låg impedans (2,7 Ω cm-2) och hög livslängd (2.000 cykler). Det resulterande batteriet uppvisade också en stabil urladdning.
Forskargruppen konstaterar att batteriet också fungerar med en spänning på 0,0-4,9 V, vilket innebär att det är både en renare och säkrare produkt än andra typer av batterier. Sådana batterier bör också vara lättare att återvinna. Forskarna konstaterar att den höga livscykeln visar på en exceptionellt långsiktig hållbarhet, vilket öppnar dörren för användning av sådana batterier i nya typer av applikationer.
Forskargruppen medger att det krävs mycket mer arbete innan ett vattenbaserat batteri är praktiskt användbart i en mängd olika produkter, men de menar att deras arbete är ett steg i rätt riktning.
För mer information: Xiyue Zhang et al, Li+(ionophore) nanoclusters engineered aqueous/non-aqueous biphasic electrolyte solutions for high-potential lithium-based batteries, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01898-0
