德克薩斯A&M大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)無金屬的水基電池電極的存儲容量有著高達(dá)1000%的差異。無金屬的水基電池與那些利用鈷的鋰離子形式的電池是獨特的。研究小組對這種類型的電池的關(guān)注源于對國內(nèi)供應(yīng)鏈的更大控制的愿望，因為鈷和鋰通常是從國外采購的。此外，這種電池更安全的化學(xué)成分可以防止火災(zāi)。
化學(xué)工程教授Jodie Lutkenhaus博士和化學(xué)助理教授Daniel Tabor博士在《自然材料》上發(fā)表了他們關(guān)于無鋰電池的研究結(jié)果。
"不會再有電池火災(zāi)了，因為它是水基的，"Lutkenhaus說。"在未來，如果預(yù)測到材料短缺，鋰離子電池的價格會大漲。如果我們有了這種替代電池，我們就可以轉(zhuǎn)向這種化學(xué)，其供應(yīng)要穩(wěn)定得多，因為我們可以在美國這里制造它們，而且制造它們的材料也在這里。"
Lutkenhaus說，水電池由陰極、電解質(zhì)和陽極組成。陰極和陽極是可以儲存能量的聚合物，而電解質(zhì)是與有機鹽混合的水。電解液通過其與電極的相互作用，是離子傳導(dǎo)和能量存儲的關(guān)鍵。
她說："如果一個電極在循環(huán)過程中膨脹得太厲害，那么它就不能很好地傳導(dǎo)電子，就會失去所有的性能。我相信，由于腫脹效應(yīng)，儲能能力有1000%的差異，這取決于電解質(zhì)的選擇。"
根據(jù)他們的文章，氧化還原活性的非共軛自由基聚合物（電極）是有希望成為無金屬水電池的候選者，因為這種聚合物具有高放電電壓和快速氧化還原動力學(xué)。由于電子、離子和水分子的同時轉(zhuǎn)移，該反應(yīng)很復(fù)雜且難以解決。
研究人員在文章中說："我們通過使用電化學(xué)石英晶體微天平在一系列時間尺度上進行耗散監(jiān)測，檢查不同混沌/交變特性的水電解質(zhì)，證明了氧化還原反應(yīng)的性質(zhì)。"
Tabor的研究小組用計算模擬和分析對實驗工作進行了補充。仿真讓人們深入了解了結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的微觀分子尺度的情況。
"理論和實驗經(jīng)常緊密合作以了解這些材料。在這篇論文中，我們在計算上所做的新事情之一是，我們實際上將電極充電到多種電荷狀態(tài)，并觀察周圍環(huán)境如何對這種充電做出反應(yīng)。"
研究人員通過準(zhǔn)確測量電池運行時有多少水和鹽進入電池，從宏觀上觀察電池陰極是否在某些種類的鹽存在時工作得更好。
"我們這樣做是為了解釋在實驗中觀察到的情況，現(xiàn)在，我們希望將我們的模擬擴展到未來的系統(tǒng)。我們需要讓我們的理論得到證實，什么是驅(qū)動這種水和溶劑注入的力量。"
"有了這種新的儲能技術(shù)，這是對無鋰電池的一種推動。"Tabor說："我們對是什么讓一些電池電極比其他電池電極工作得更好有了更好的分子水平的描述，這為我們在材料設(shè)計方面的進展提供了強有力的證據(jù)。"
