Pitanje zašto se u litij-ionskih baterijama nalaze za zdavlje i okoliš štetna te nadasve opasna, zapaljiva otapala (uglavnom esteri ugljične kiseline), a ne voda, svodi se na pitanje zašto se elektrolizom vodene otopine modre galice na katodi izlučuje bakar, a elektrolizom natrijeva klorida se ne izlučuje natrij nego vodik. Riječ je, ukratko, o tome da postoji minimalni napon, napon razlaganja, pri kojem je elektroliza nečega moguća. Ioni bakra, Cu²⁺, imaju veći afinitet prema elektronima od iona vodika, H⁺, a oni opet od iona natrija, Na⁺, pa se u uređaju za elektrolizi ne mogu stvoriti uvjeti pri kojima bi došlo do izlučivanja natrija, a da se pritom ne bi razvijao vodik. U litij-ionskoj bateriji s vodenim elektrolitom dolazi do slične pojave jer pri njezinom punjenju dolazi prije do elektrolize vode nego do deponiranja litija. Kako onda napraviti takvu bateriju?

Rješenje je salamunsko: treba napraviti bateriju s vodom bez vode. I evo je: u časopisu Matter objavljen je rad kineskih znanstvenika „Enabling high-energy-density aqueous batteries with hydrogen bond-anchored electrolytes“. Ključna riječ je hydrogen bond-anchored electrolyte, elektrolit s usidrenom vodikovom vezom.

Tajna vode je u vodikovoj vezi. Ta desetak puta slabija veza od veze O-H koja drži atome u molekuli H₂O, povezuje molekule vode u svakojake strukture čineći od tekuće vode složenu mrežu uzajamno povezanih molekula. Mreža vodikovih veza pogoduje gibanju vodikovih (H⁺) i hidroksidnih (OH^-) iona, zbog čega je voda dobar vodič električne struje. To je dobro, no nije dobro što se zbog toga H⁺ lakše reducira kada se na elektrodu narine negativan napon, pa se na njoj razvija plinoviti vodik, H₂. Ta reakcija, reakcija razvijanja vodika (hydrogen evolution reaction, HER) uništava bateriju.

Rješenje problema autori spomenutog rada pronašli su u tvari koja trga vodikove veze među molekulama vode tako da ih sama s njima stvara. Ta se tvar zove sulfolan. Riječ je o heterocikličkom organskom spoju u čijoj su molekuli za atom sumpora vezana dva atoma kisika. Oni se vežu vodikovom vezom za molekule vode (S=O···H-O), čime razbijaju klastere molekula H₂O. Razaranjem sustava vodikovih veza smanjuje se sposobnost vode da vodi vodikove ione, a time i neželjena reakcija razvijanja vodika.

Nažalost, do razvijanja vodika – ali pri nižim naponima – ipak dolazi, jer je litijev titanat, Li₄Ti₅O₁₂ (LTO), od kojeg je izrađena anoda, katalizator za redukciju iona H⁺. No i za to ima lijeka, i to u obliku tankog, tek tri nanometra debelog sloja litijeva aluminata, LiAlO₂. Usto se, kao dodatna zaštita od razvijanja vodika pri punjenju baterije, na površini elektrode LTO stvara međusloj čvrstog elektrolita (solid electroylte interface, SEI), sastavljen od litijeva fluorida, sulfida, sulfita i karbonata.

Elektrolit za vodenu bateriju je litijeva sol bis(trifluormetan)sulfonimida (LiTFSI) otopljena u smjesi vode i sulfolana u množinskom omjeru 1:1 – što znači da na svaku molekulu vode dolazi jedna molekula sulfolana. Mjerenja su pokazala da nova baterija, s drugom elektrodom (katodom) od litijeva manganata, LiMn₂O₄ (LMO), ima početnu gustoću energije 141 W h kg^-1 koja potom blago opada da bi nakon 1000 ciklusa punjenja i pražnjena iznosila 125 W h kg^-1, dakle 70 % početne vrijednosti. To je povezano s promjenom kapaciteta, koji nakon 300 ciklusa iznosi 58 A h kg^-1. Radni napon baterije kreće se između 1,3 i 4,7 V.

Iako već u naslovu piše da je riječ o bateriji „visoke gustoće energije“ (high-energy-density), ona se po sposobnosti skladištenja energije ipak ne može mjeriti s najboljim litij-ionskim baterijama. No to mnogo ne smeta jer, kao što rekoh, vodena baterija je nezapaljiva, manje je opasna po zdravlje, lakše se reciklira, a i proizvodnja će joj biti jeftinija.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije i povijesti znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 3000 znanstveno-popularnih članaka te 13 znanstveno-popularnih knjiga. Upravo mu je izašla još jedna, „Kemija – muza arhitekture“, koju je napisao u koautorstvu s arhitektom Zvonkom Pađanom.