Ett vattenbaserat batteri med en elektrolyt på pH 7 som är lämplig för direkt miljöavfall

Varför säkrare vattenbaserade batterier spelar roll

De flesta uppladdningsbara batterier idag förlitar sig på brandfarliga vätskor eller starka syror och baser, vilket väcker säkerhets- och miljöfrågor. Denna studie undersöker en ny typ av vattenbaserat batteri som fungerar i en mild, nästan neutral lösning—liknande surhetsgraden i dricksvatten eller saltlake som används vid tofu-tillverkning. Eftersom vätskan är mild och de fasta ingredienserna undviker tunga metaller syftar dessa batterier till att lagra energi mycket länge och sedan kunna kasseras utan att skada miljön.

Problem med dagens vattenbaserade batterier

Vattenbaserade, eller ”aqeous”, batterier har länge setts som ett säkrare alternativ till standardlitiumjonceller eftersom vatten inte brinner. Däremot använder de flesta befintliga konstruktioner vätskor som antingen är ganska sura eller starkt basiska. Under sådana förhållanden klyvs vattnet till väte- och syrgas vid elektrodytorna. Detta slösar energi, torkar långsamt ut cellen och bildar bubblor som skadar elektroderna. När sådana batterier slängs kan deras frätande vätskor också skada jordar och vattenvägar. Författarna ville ta fram ett batteri som behåller vattnets fördelar men fungerar vid ett pH kring 7, nära neutralt, för att minska dessa sido­reaktioner.

En ny mild vätska och matchande fasta material

Teamet valde vanliga salter av magnesium och kalcium—MgCl₂ och CaCl₂—som basen i batteriets vätska. Dessa salter bildar koncentrerade lösningar som kan lagra och transportera mycket laddning, men ändå förblir nästintill neutrala och används redan säkert i livsmedelsberedning. För att fungera med dessa vätskor syntetiserade forskarna en familj porösa organiska fasta ämnen, så kallade kovalenta organiska polymerer, som ska fungera som negativ elektrod. Genom att något förändra den kemiska länken som förenar byggstenarna i dessa polymerer kunde de justera hur lätt materialet tar upp och avger elektroner och hur starkt det attraherar magnesium- eller kalciumjoner. En variant, kallad Hex-TADD-COP, utmärkte sig genom att kombinera snabb laddningstransport, god termisk stabilitet och låg driftspänning, vilket är önskvärt när den ska paras med högspänningspositiva elektroder.

Hur det nya batteriet lagrar laddning

I den valda polymeren innehåller de upprepande enheterna kväveatomer ordnade så att de tillfälligt kan fånga och släppa magnesium- eller kalciumjoner när batteriet laddas och laddas ur. Med hjälp av en kombination av dator­modellering och flera typer av spektroskopi visade forskarna att dessa kväveplatser reversibelt koordinerar de tvåvärda jonerna utan att riva sönder polymeren. Avgörande är att den nästan neutrala vätskan innehåller mycket få fria protoner, så vätejoner spelar nästan ingen roll i lagringsprocessen. Experiment i surare lösningar visade att när extra protoner finns närvarande triggar de oönskade reaktioner, bildar isolerande utfällningar på elektrodyta och förkortar enhetens livslängd snabbt. Vid pH 7, däremot, behåller elektroden mer än 70 procent av sin kapacitet även efter cirka 120 000 snabba laddnings–urladdningscykler, en exceptionellt lång livslängd för ett vattenbaserat batteri.

Bygga ett komplett batteri och testa dess livslängd

För att demonstrera en komplett fungerande enhet kombinerade teamet den nya polymernegativa elektroden med en positiv elektrod gjord av en prussisk-blå-liknande förening innehållande koppar och järn. I de neutrala magnesium- eller kalciumsaltslösningarna gav detta par en arbetsspänning på upp till cirka 2,2 volt—hög för ett vattenbaserat multivalent batteri. När den totala massan av elektroderna och vätskan togs med i beräkningen levererade cellerna specifika energier upp till ungefär 40–50 wattimmar per kilogram, jämförbart med eller bättre än många andra magnesium- eller kalciumsystem. Lika viktigt är att fullcellerna bevarade användbar kapacitet över 120 000 cykler vid hög ström, och påsförsedda prototyper med tjockare elektroder fungerade stabilt över tusentals cykler, vilket antyder praktisk potential.

Vad detta innebär för renare energilagring

Studien visar att det är möjligt att bygga ett långlivat uppladdningsbart batteri som använder en neutral, livsmedelssäker saltslösning och en organisk negativ elektrod konstruerad för att undvika destruktiva sido­reaktioner. Genom att hålla pH nära 7 och förlita sig på rikliga, icke‑toxiska grundämnen såsom magnesium, kalcium, kol, kväve och järn skapar författarna en enhet som i princip kan slängas utan särskild behandling och ändå uppfylla stränga miljökrav. Även om mer arbete krävs för att höja energiinnehållet ytterligare och optimera storskalig tillverkning pekar detta tillvägagångssätt mot säkrare, grönare batterier för tillämpningar där extrem livslängd och låg miljöpåverkan är viktigare än att pressa ut varje sista energienhet.

Citering: 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

Nyckelord: vattenbaserade batterier, lagring av magnesiumjoner, kalciumjonbatterier, neutrala elektrolyter, kovalenta organiska polymerer