Водный аккумулятор с электролитом при pH≈7, пригодный для прямого экологического утилизации

Почему важны более безопасные водные аккумуляторы

Большинство перезаряжаемых аккумуляторов сегодня используют легковоспламеняющиеся жидкости или агрессивные кислоты и щёлочи, что создаёт проблемы безопасности и для окружающей среды. В этом исследовании рассматривается новый тип водного аккумулятора, работающий в мягком, почти нейтральном растворе — по кислотности сопоставимом с питьевой водой или рассолом для производства тофу. Поскольку жидкость мягкая, а твёрдые компоненты не содержат тяжёлых металлов, такие аккумуляторы нацелены на долговременное хранение энергии с возможностью утилизации без вреда для окружающей среды.

Проблемы существующих водных аккумуляторов

Водные, или «аквные», аккумуляторы давно рассматривают как более безопасную альтернативу традиционным литий-ионным элементам, поскольку вода не горит. Однако в большинстве существующих конструкций используются растворы, которые либо сильно кислотные, либо сильно щелочные. В таких условиях вода разлагается на водород и кислород на поверхностях электродов. Это приводит к потере энергии, постепенному высыханию элемента и образованию пузырей, разрушающих электроды. При утилизации такие коррозийные жидкости также могут вредить почвам и водоёмам. Авторы поставили цель сохранить преимущества воды, но сделать батарею, работающую при pH около 7, близком к нейтральному, чтобы снизить эти побочные реакции.

Новая мягкая жидкость и сопоставимые твёрдые материалы

Команда выбрала распространённые соли магния и кальция — MgCl₂ и CaCl₂ — в качестве основы электролита. Эти соли дают концентрированные растворы, способные хранить и переносить значительный заряд, при этом оставаясь почти нейтральными и уже применяются в пищевой промышленности. Для работы с такими жидкостями исследователи синтезировали семейство пористых органических твёрдых веществ — ковалентных органических полимеров — в роли негативного электрода. Небольшими изменениями химической связи между звеньями полимера можно было настроить лёгкость приёма и отдачи электронов и силу взаимодействия с ионами магния или кальция. Один вариант, названный Hex-TADD-COP, выделялся сочетанием быстрой проводимости заряда, хорошей термостабильности и низкого рабочего напряжения, что удобно для сочетания с высоковольтными положительными электродами.

Как новый аккумулятор хранит заряд

В выбранном полимере повторяющиеся звенья содержат атомы азота, расположенные так, что они способны временно захватывать и отпускать ионы магния или кальция по мере зарядки и разрядки аккумулятора. Сочетая компьютерное моделирование и несколько видов спектроскопии, исследователи показали, что эти азотные центры оборотно координируют двухвалентные ионы, не разрушая полимер. Важно, что почти нейтральный электролит содержит очень мало свободных протонов, поэтому ионы водорода практически не участвуют в процессах накопления заряда. Эксперименты в более кислых средах показали, что избыток протонов вызывает нежелательные реакции, формирует изолирующие отложения на поверхности электрода и резко сокращает срок службы устройства. При pH 7, напротив, электрод сохраняет более 70 процентов своей ёмкости даже после примерно 120 000 быстрых циклов заряд–разряд — исключительная долговечность для водного аккумулятора.

Сборка полного элемента и испытания срока службы

Чтобы продемонстрировать полностью работающее устройство, команда сочетала новый полимерный негативный электрод с положительным электродом на основе соединения типа прусской синюшки, содержащего медь и железо. В нейтральных растворах солей магния или кальция такая пара дала рабочее напряжение до примерно 2,2 вольта — высокое значение для водного мультивалентного элемента. С учётом общей массы электродов и жидкости элементы достигали удельной энергии порядка 40–50 ватт-часов на килограмм, что сопоставимо или лучше многих других магниевых и кальциевых систем. Не менее важно, что полные элементы сохраняли полезную ёмкость более 120 000 циклов при высоком токе, а прототипы в пакетной (pouch) конфигурации с более толстыми электродами стабильно работали тысячи циклов, указывая на практический потенциал.

Значение для более чистого хранения энергии

Исследование демонстрирует, что возможно создать долговечную перезаряжаемую батарею, использующую нейтральный, пищевого качества сольвый раствор и органический негативный электрод, сконструированный так, чтобы избегать разрушающих побочных реакций. Сохраняя pH около 7 и опираясь на обильные нетоксичные элементы — магний, кальций, углерод, азот и железо — авторы предлагают устройство, которое в принципе можно утилизировать без специальной обработки и при этом соответствовать строгим экологическим стандартам. Хотя требуется дальнейшая работа по увеличению содержания энергии и оптимизации масштабного производства, этот подход указывает путь к более безопасным и экологичным батареям для применений, где важнее исключительная долговечность и низкое воздействие на окружение, чем извлечение каждой единицы энергии.

Цитирование: 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

Ключевые слова: водные аккумуляторы, накопление ионов магния, кальциевые аккумуляторы, нейтральные электролиты, ковалентные органические полимеры