Veijo Hänninen

Akkutekniikan vaihtoehtojen etsintää

Litiumin saatavuuteen ja nykyisiin herkästi syttyviin elektrolyytteihin liittyvät huolenaiheet ovat kohdistaneet vahvaa tutkimuksellista mielenkiintoa kiintoaineista rakentuviin akkuihin sekä uusiin mahdollisiin materiaaleihin.

Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat kehuvat olevansa ensimmäisiä, jotka käyttivät neutroniheijastusmittausta tarkkailemassa toimivan kiintoaineisen akun sisäistä sähkökemiaa. He havaitsivat, että sen suorituskyky johtuu äärimmäisen ohuesta kerroksesta, jonka läpi varautuneet litiumatomit virtaavat nopeasti, kun ne siirtyvät anodista katodille ja sekoittuvat kiinteäksi elektrolyytiksi.

Neutroniheijastusmittauksen yhdistäminen sähkökemiaan nopeuttaa litiummetallin ja kiinteiden elektrolyyttien välisen vaiheen ymmärtämistä kiintoaineisissa akuissa.

Neutroniheijastusmittaukset osoittivat välitilan faasin olevan alle 7 nm paksu.

Kokeellinen vahvistus siitä, että voi tehdä ihanteellisia alle 10 nm:n paksuisia kiintoaineen välifaaseja, auttaa helpottamaan tehokkaiden seuraavan sukupolven solid-state-akkujen käyttöönottoa.

Alumiinifoliota akkuun

Georgia Institute of Technologyn tutkijaryhmä käyttää alumiinifoliota luodakseen akkuja, joilla on korkeampi energiatiheys ja suurempi vakaus.

Tiimin uusi akkujärjestelmä voisi mahdollistaa sähköajoneuvojen käytön pidempään yhdellä latauksella ja olisi halvempaa valmistaa – kaikki samalla kun sillä on myönteinen vaikutus ympäristöön.

Alumiinin käyttöä akuissa on tutkittu jo 1970-luvulla, mutta se ei toiminut hyvin, sillä esimerkiksi perinteisessä litiumioniakussa alumiini murtuu ja hajoaa muutaman työjakson aikana. Nyt täysin kiinteärakenteiset akut ovat saaneet tutkijat paneutumaan aiheeseen uudelleen.

Tutkimusryhmä tiesi, että alumiinilla olisi energiaa, kustannuksiin ja valmistukseen liittyviä hyötyjä, kun sitä käytetään materiaalina akun anodissa – akun negatiivisesti varautuneessa puolella, joka varastoi litiumia energian tuottamiseksi – mutta puhtaat alumiinifoliot vikaantuivat nopeasti, kun niitä testattiin akuissa.

Tiimi päätti valita toisenlaisen lähestymistavan. Sen sijaan, että kalvoissa olisi käytetty puhdasta alumiinia, he lisäsivät alumiiniin pieniä määriä muita materiaaleja luodakseen kalvoja, joissa oli tiettyjä "mikrorakenteita" tai eri materiaalien järjestelyjä. He testasivat yli 100 eri materiaalia ymmärtääkseen, kuinka ne käyttäytyisivät akuissa.

"Meidän täytyi ottaa mukaan materiaali, joka ratkaisee alumiinin perusongelmat akun anodina", sanoi Ph.D. opiskelija Yuhgene Liu. "Uusi alumiinifolio-anodimme osoitti huomattavasti parempaa suorituskykyä ja vakautta, kun se toteutettiin kiintoaineakuissa verrattuna perinteisiin litiumioniakkuihin."

Nopeampia niobiumoksidien ohutkalvoja

Tiedemiehet ovat 1940-luvulta lähtien tutkineet niobiumoksidin, erityisesti erään niobioksidimuodon, joka tunnetaan nimellä T-Nb2O5, käyttöä tehokkaampien akkujen luomiseen. Tässä materiaalissa litiumionit voivat liikkua nopeasti. Mitä nopeammin nämä ionit voivat liikkua, sitä nopeammin akku voidaan ladata.

Haasteena on kuitenkin ollut kasvattaa kyseinen niobiumoksidimateriaali ohuiksi, litteiksi kerroksiksi tai "kalvoiksi", jotka ovat riittävän laadukkaita käytännön sovelluksiin.

Kansainvälinen Max Planck Instituten sekä Pennsylvanian ja Cambridgen yliopistojen tutkijoiden ryhmä on onnistuneesti osoittanut korkealaatuisten yksikidekerrosten kasvua. T- Nb2O5 on kohdistettu siten, että litiumionit voivat liikkua siinä huomattavasti nopeammin. Tämä dramaattinen muutos mahdollistaa joukon potentiaalisia sovelluksia nopeasta akun latauksesta energiatehokkaaseen tietojenkäsittelyyn ja moneen muuhun toteaa Andrew Rappe Penn yliopistosta.

Kaksiulotteiset (2D) pystysuorat ionikuljetuskanavat johtavat myös nopeaan ja jättimäiseen eriste-metallin siirtymään. Tämä on dramaattinen muutos sillä materiaalin ominaisvastus pienenee kertoimella 100 miljardia. Tämä ominaisuus viitannee monenlaisiin muihin mahdollisiin sovelluksiin.

Turvallisempia litiummetalliakkuja

Vaikka litiummetalliakut voivat pitää sisällään noin kaksinkertaisen energian litiumioniakkuihin verrattuna, ne aiheuttavat myös paljon suuremman syttymisriskin tai jopa räjähtämisen.

UCLA:n California NanoSystems Instituten jäsenten tekemä tutkimus paljastaa perustavanlaatuisen löydön, joka voi johtaa turvallisempiin ja nykypäivän litiumioniakut ylittäviin litiummetalliakkuihin.

Metallinen litium reagoi niin helposti kemikaalien kanssa, että normaaleissa olosuhteissa muodostuu korroosiota lähes välittömästi, kun metallia uitetaan pinnalle, kuten elektrodille.

Mutta UCLA:n tutkijat kehittivät tekniikan, joka estää tämän korroosion ja osoittivat, että sen puuttuessa litiumatomit koostuvat yllättävään muotoon - rombiseen dodekaedriin, 12-sivuiseen hahmoon.

Litiumin todellisen muodon paljastaminen korroosion puuttuessa viittaa siihen, että litiummetalliakkujen räjähdysvaaraa voidaan vähentää, koska atomit kerääntyvät järjestyneesti eikä niinkään ristiin rastiin.

Vaikka Li-pinnoitus ja SEI-muodostus ovat aina olleet tiiviisti sidoksissa aikaisemmissa tutkimuksissa, tutkijoiden kokeellinen lähestymistapa antaa uusia mahdollisuuksia ymmärtää perusteellisesti näitä toisistaanirrotettuja prosesseja ja tuoda uusia oivalluksia parempien akkujen suunnitteluun.

Uudenlainen akkurakenne ylittää nopean lataustavoitteen

Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) loi aikoinaan 10 minuutin pikalataustavoitteen sähköauton akun lataamiseksi.

Marylandin yliopiston Eric Wachsman ja hänen tutkimusryhmänsä ovat kehittäneet yksivaiheisen ioneja ja elektroneja johtavan sekagranaattimateriaalin (MIEC), joka integroitiin hänen aiemmin kehittämäänsä 3D-arkkitehtuuriin. Näin se ylitti DOE:n pikalataustavoitteen Li-jaksottelulle kymmenkertaisesti.

MIEC-granaatin huokoinen rakenne auttaa lievittämään kiinteisiin elektrolyytteihin kohdistuvia rasituksia työjaksottelun aikana jakamalla potentiaalin tasaisesti pinnan yli, mikä estää paikallisia kuumia pisteitä, jotka voivat aiheuttaa dendriittien muodostumista.

"35 vuoden aikana, kun olen työskennellyt kiinteitä ioneja johtavien materiaalien parissa, tämä on ensimmäinen kerta, kun olen nähnyt missään tieteellisessä kirjallisuudessa kyvyn jaksottaa ioneja huoneenlämpötilassa kiinteän keramiikan läpi virrantiheydellä jopa 100 mA/cm2, erityisesti kiinteän metallin ioneja." sanoi Wachsman.

Meriveden kloridi-ioneista litiumin korvaaja?

Natrium, kalium ja sinkki ovat olleet lupaavia kilpailijoita litiumin paikasta tulevaisuuden ladattavissa akuissa, mutta Worcester Polytechnic Instituten (WPI) tutkijat ovat lisänneet näiden joukkoon epätavallisen ja runsaamman kilpailijan: kloridin, meriveden rikkaimman negatiivisesti varautuneen ionin.

Xiaowei Teng ja hänen tutkimusyhteistyökumppaninsa ylittivät nykyisen vihreän akkuteknologian löydettyään uuden redox-kemian, joka perustuu kloridi-ioneihin, joita käytetään rautaoksidisen akkumateriaalien redox-kemian tehostamiseksi.

Teng ja hänen WPI-ryhmänsä tekivät vesipohjaisen akun, pienen laboratoriomittakaavan prototyypin, joka toimi vesipohjaisessa elektrolyytissä, käyttämällä elektrodeja, jotka oli valmistettu enimmäkseen runsaista alkuaineista, kuten rautaoksideista ja -hydroksideista.

Vaikka tiimi ei ole laskenut kustannuksia, maaperän runsaiden materiaalien käytön pitäisi kääntää skaalan heidän edukseen, Teng sanoo. Yhdysvallat tuottaa vuosittain yli 15 miljoonaa tonnia rautaromua, jota ei kierrätetä ja monet niistä ovat ruosteen muodossa.

Siksi raportoitu ladattavien alkalirauta-akkujen kemia auttaa käyttämään rautaruosteen jätemateriaalit uudelleen nykyaikaiseen energian varastointiin.

Halvempi ja turvallisempi vaihtoehto

Edith Cowan yliopiston tuottama tutkimus osoittaa, että sinkistä ja ilmasta koostuvat akut voivat olla sähköajoneuvojen tulevaisuus. Hankkeessa testattiin sinkki-ilma-akkuja käyttämällä halvempien, turvallisempien ja kestävästi tuotettujen materiaalien yhdistelmää, mikä mahdollisti paremman käyttöiän ja suorituskyvyn.

"Ladattavat sinkki-ilma -akut (ZAB) ovat tulossa houkuttelevammiksi alhaisten kustannustensa, ympäristöystävällisyytensä, korkean teoreettisen energiatiheytensä ja luontaisen turvallisuutensa vuoksi", toteaa tohtori Muhammad Rizwan Azhar.

Sinkki-ilma-akku koostuu negatiivisesta sinkkielektrodista ja ilmalle altistetusta positiivisesta elektrodista. Näiden suurin haitta on ollut rajallinen teho, joka johtuu ilmaelektrodien huonosta suorituskyvystä ja lyhyestä käyttöiästä – tähän asti.

Läpimurto on antanut insinööreille mahdollisuuden käyttää uusien materiaalien, kuten hiilen, halvempien rauta- ja kobolttipohjaisten mineraalien yhdistelmää sinkki-ilma-akkujen uudelleensuunnitteluun.

"Uusi suunnitelma on ollut niin tehokas, että se tukahdutti akkujen sisäisen resistanssin ja niiden jännite oli lähellä teoreettista jännitettä, mikä johti korkeaan huipputehotiheyteen ja erittäin pitkään vakauteen", tohtori Azhar sanoi.

Kun kaksitoiminen ilmaelektrodi integroitiin ZAB:iin, se tuotti pienen 0,77 V varaus/purkaus jännite-eron, korkean huipputehotiheyden 228 mW cm−2 ja huomattavan hyvän vakauden yli 950 tuntia.

Syyskuu 2023