Een waterige batterij met een elektrolyt van pH 7 en geschikt voor directe milieuafvoer

Waarom veiligere op water gebaseerde batterijen ertoe doen

De meeste oplaadbare batterijen van vandaag vertrouwen op brandbare vloeistoffen of bijtende zuren en basen, wat veiligheids- en milieurisico’s met zich meebrengt. Deze studie onderzoekt een nieuw type op water gebaseerde batterij die werkt in een zachte, bijna neutrale oplossing — vergelijkbaar in zuurgraad met drinkwater of de pekel die wordt gebruikt bij het maken van tofu. Omdat de vloeistof mild is en de vaste bestanddelen zware metalen vermijden, streven deze batterijen ernaar energie zeer lange tijd op te slaan en daarna te kunnen weggooien zonder het milieu te schaden.

Problemen met de huidige waterige batterijen

Waterige batterijen worden al lang gezien als een veiliger alternatief voor standaard lithium-ioncellen omdat water niet brandt. De meeste bestaande ontwerpen gebruiken echter vloeistoffen die tamelijk zuur of sterk basisch zijn. Onder die omstandigheden splitst het water zelf in waterstof- en zuurstofgas op de elektrodenoppervlakken. Dat verspilt energie, droogt de cel langzaam uit en veroorzaakt gasbellen die de elektroden beschadigen. Wanneer dergelijke batterijen worden weggegooid, kunnen hun corrosieve vloeistoffen ook bodem en waterwegen aantasten. De auteurs wilden een batterij ontwerpen die de voordelen van water behoudt, maar werkt bij een pH rond 7, dicht bij neutraal, om deze nevenreacties te verminderen.

Een nieuwe zachte vloeistof en bijpassende vaste materialen

Het team koos veelgebruikte zouten van magnesium en calcium — MgCl₂ en CaCl₂ — als basis voor de vloeistof in de batterij. Deze zouten vormen geconcentreerde oplossingen die veel lading kunnen opslaan en verplaatsen, maar toch bijna neutraal blijven en al veilig worden gebruikt in de voedselverwerking. Om met deze vloeistoffen te werken, synthetiseerden de onderzoekers een familie poreuze organische stoffen, zogenaamde kovalente organische polymeren, die als negatieve elektrode fungeren. Door de chemische verbinding die de bouwstenen van deze polymeren aan elkaar knoopt licht te veranderen, konden ze afstemmen hoe gemakkelijk het materiaal elektronen accepteert en afgeeft en hoe sterk het magnesium- of calciumionen aantrekt. Eén versie, Hex-TADD-COP genoemd, stak eruit omdat het snelle ladingsgeleiding, goede thermische stabiliteit en een lage bedrijfsspanning combineerde — wenselijk voor koppeling met hoogspannings-positieve elektroden.

Hoe de nieuwe batterij lading opslaat

In het gekozen polymeer bevatten de herhalende eenheden stikstofatomen die zo zijn gerangschikt dat ze tijdelijk magnesium- of calciumionen kunnen grijpen en loslaten wanneer de batterij laadt en ontlaadt. Met een combinatie van computermodellering en verschillende spectroscopische technieken toonden de onderzoekers aan dat deze stikstofplaatsen de tweewaardige ionen reversibel coördineren zonder het polymeer te verscheuren. Cruciaal is dat de bijna neutrale vloeistof zeer weinig vrije protonen bevat, zodat waterstofionen vrijwel geen rol spelen in het ladingsopslagproces. Experimenten in zuurdere oplossingen toonden aan dat wanneer er extra protonen aanwezig zijn, die ongewenste reacties veroorzaken, isolerende afzettingen op het elektrodeoppervlak vormen en de levensduur van het apparaat snel verkorten. Bij pH 7 behoudt de elektrode daarentegen meer dan 70 procent van zijn capaciteit zelfs na ongeveer 120.000 snelle laad–ontlaadcycli, een uitzonderlijk lange levensduur voor een waterige batterij.

Het bouwen van een volledige batterij en testen van de levensduur

Om een volledig werkend apparaat te demonstreren combineerde het team de nieuwe polymeer-negatieve elektrode met een positieve elektrode gemaakt van een Pruisisch-blauwachtig verbinding die koper en ijzer bevat. In de neutrale magnesium- of calciumsalzouten produceerden deze twee een werkspanning tot ongeveer 2,2 volt — hoog voor een waterige multivalente batterij. Wanneer rekening werd gehouden met de totale massa van de elektroden en de vloeistof, leverden de cellen specifieke energieën tot ruwweg 40–50 wattuur per kilogram, vergelijkbaar met of beter dan veel andere magnesium- of calciumsystemen. Even belangrijk, de volledige cellen behielden nuttige capaciteit gedurende 120.000 cycli bij hoge stroom, en pouch-achtige prototypes met dikkere elektroden draaiden ook stabiel over duizenden cycli, wat op praktische potentie wijst.

Wat dit betekent voor schonere energieopslag

De studie toont aan dat het mogelijk is een duurzame oplaadbare batterij te bouwen die een neutrale, voedselveilige zoutoplossing gebruikt en een organische negatieve elektrode die is ontworpen om destructieve nevenreacties te vermijden. Door de pH rond 7 te houden en te vertrouwen op overvloedige, niet-toxische elementen zoals magnesium, calcium, koolstof, stikstof en ijzer, creëren de auteurs een apparaat dat in principe zonder speciale behandeling kan worden weggegooid en toch aan strikte milieunormen kan voldoen. Hoewel er meer werk nodig is om de energiedichtheid verder te verhogen en grootschalige productie te optimaliseren, wijst deze benadering op veiligere, groenere batterijen voor toepassingen waar extreme levensduur en lage milieu-impact belangrijker zijn dan het laatste restje energie eruit persen.

Bronvermelding: Chen, H., Feng, S., Wang, Y. et al. An aqueous battery using an electrolyte with a pH of 7 and suitable for direct environmental discard. Nat Commun 17, 2895 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69384-2

Trefwoorden: waterige batterijen, magnesiumionopslag, calciumionbatterijen, neutrale elektrolyten, kovalente organische polymeren