Veijo Hänninen

Tulevaisuuden akkutekniikoita ja katsauksia

Kun tavoitteena on laajentaa sähköajoneuvojen käyttöä, erityisesti kiintoaineisten akkujen ydinkomponenttien tutkimus on saanut merkittävää lisävauhtia. Toisaalta nykyisten kaupallisten akkujen huolenaiheet liittyvät suosituskykyä tehostavien harvinaisiin materiaalien saatavuuteen.

Litium-ioni -akkuja käytetään joka paikassa mutta nikkeliä ja kobolttia ei voida louhia niin nopeasti, jotta sitä riittäisi kulutuskysynnän tarpeisiin.

Nyt Berkleyn tutkijat ovat löytäneet menetelmän mangaanin käyttämiseksi litiumioniakkujen katodimateriaalien luomiseen. Näiden syntetisoitujen mangaanipohjaisten materiaalien uudenlainen nanorakenne tarjoaa korkean vakauden ja energiatiheyden, jota litiumioniakut vaativat, samalla kun ne tarjoavat teollisuudelle elinkelpoisen vaihtoehdon nikkelille ja koboltille.

"Sähköajoneuvojen varhaisissa akuissa käytetyt mangaanipohjaiset materiaalit kärsivät alhaisesta energiatiheys- ja vakausongelmista", sanoi johtava kirjoittaja ja tutkijatohtori Zijian Cai. "Ratkaisimme näiden ongelmien taustalla olevaa syytä luomalla uuden mangaanipohjaisen nanorakenteen."

Cain mukaan tutkijat syntetisoivat nämä katodimateriaalit siten, että niillä on kivisuolaa muistuttavia kiderakenteita. "Ne ovat kiteisiä, mutta kaikki metallit [litium, mangaani, titaani] ovat niissä epäsäännöllisiä", hän sanoi. ”Työjaksottelun aikana metallit järjestyvät hitaasti ja osittain muodostaen nanomittakaavan alueita. Tämä osittain epäjärjestynyt rakenne itse asiassa parantaa tämän materiaalin syklistä kestävyyttä."

Tuloksena saatujen mangaanipohjaisten materiaalien testit osoittivat, että niillä oli sekä korkea työkiertovakaus että korkea energiatiheys. Näiden havaintojen perusteella mangaani voi tarjota Li-ion-teollisuudelle sen tarvitseman elinvoiman tulevina vuosikymmeninä uskovat tutkijat.

Koboltin korvaaminen

Toinen viimeaikainen suuntaus on koboltin korvaaminen akuissa, jolloin vältetään ympäristöllisiä ja sosiaalisia haittavaikutuksia.

Tokion yliopiston tutkijat raportoivat uudesta vaihtoehdosta koboltille käyttämällä elektrodeissa uutta alkuaineiden yhdistelmää, joka sisää litiumia, nikkeliä, mangaania, piitä ja happea – kaikki paljon yleisempiä ja vähemmän ongelmallisia aineita tuotannossa ja toiminnassa.

Uudet elektrodit ja elektrolyytti eivät sisällä kobolttia ja silti ne itse asiassa parantavat nykyistä akun kemiaa jollain tavalla.

Kehitettyjen Li-ion testiakkujen energiatiheys on noin 60 % korkeampi, mikä voi tarkoittaa pidempää käyttöikää ja se voi tuottaa 4,4 volttia verrattuna noin 3,2 - 3,7 volttiin tyypillisissä Li-ion akuissa.

Mutta yksi yllättävimmistä teknologisista saavutuksista oli latausominaisuuksien parantaminen. Uudenlaisen kemian akut pystyivät latautumaan ja purkamaan täyteen yli 1 000 syklillä (simuloi kolmen vuoden täyttä käyttöä ja latausta), mutta menettäen vain noin 20 % varastointikapasiteetistaan.

Askel kohti kiintoaineisia akkuja

Litiumkeramiikka voisi toimia kiinteänä elektrolyyttinä paremmassa ja kustannustehokkaammassa ladattavien litiumioniakkujen sukupolvessa.

Haasteena on löytää tuotantomenetelmä, joka toimii ilman sintrausta korkeissa lämpötiloissa.

Jennifer LM Ruppin johtama tiimi Cambridge MIT:ssä ja TU Münchenissä on nyt esitellyt sintrausta tarvitsemattoman menetelmän litiumkeramiikan tehokkaalle matalan lämpötilan synteesille.

Tutkijaryhmän uusi prosessi ei perustu keraamisten esiasteyhdisteisiin, vaan nestemäiseen yhdisteeseen, joka tiivistetään suoraan LLZO:ksi peräkkäisissä synteeseissä.

Kiteytysprosessista saamiensa oivallusten perusteella he kehittivät reitin, jolla kuutiofaasillinen cLLZO saadaan tiheänä, kiinteänä kalvona 10 tunnin hehkutuksen jälkeen suhteellisen alhaisessa 500 °C:n lämpötilassa ilman sintrausta. Perinteinen menetelmä vaatii yli 1000 °C:n lämpötilan.

Tulevia akkumalleja varten tämä menetelmä mahdollistaa kiinteän LLZO-elektrolyytin integroinnin katodeihin, jotka voisivat välttää sosioekonomisesti kriittisten materiaalien, kuten koboltin, käytön.

Epäorgaanista lasia

Kiinan tiedeakatemian tutkijat ovat puolestaan löytäneet äskettäin viskoelastiseen epäorgaaniseen lasiin (VIGLAS) perustuvan elektrolyytin kiinteäaineisille akuille.

Tutkijaryhmän tunnistamassa epäorgaanisen lasin luokassa on ainutlaatuinen yhdistelmä epäorgaanisia ominaisuuksia, kuten korkea ionijohtavuus, vahva hapettumiskestävyys ja polymeerien kaltainen joustava ominaisuus, jotka mahdollistavat yhteensopivuuden laajalti käytettyjen katodien kanssa.

Laboratoriokokeissa tähän lasiin perustuvat elektrolyytit saavuttivat erittäin lupaavia tuloksia, sillä ne tunkeutuivat elektrodimateriaaleihin aivan kuin nestemäiset elektrolyytit.

Erityisesti tiimin elektrolyyttejä voisi olla myös helppo skaalata ja valmistaa olemassa olevilla valmistusprosesseilla. Koska ne perustuvat muotoaan muuttaviin materiaaleihin, joten niitä voitaisiin valmistaa suuressa mittakaavassa yksinkertaisilla valssausprosesseilla.

Komposiittinen elektrolyytti

Tsinghua Universityn tutkijat ovat taasen yhdistäneet kaksi tärkeintä kiintoaineakkujen ehdokasta - keraamia ja polymeeriä - uudeksi komposiittielektrolyytiksi.

Kehitetty keraaminen täyteaine voi auttaa lievittämään komposiittisten kiintoaineisten elektrolyyttien rajoituksia. Täyteaine vähentää rajapintaesteitä komposiittikomponenttien välillä, mutta se tarjoaa myös ylimääräisen litiumionikuljetusreitin, mikä lisää ionien määrää ja nopeutta, jolla ne liikkuvat elektrolyytin läpi.

Käytetty litiumtantalaatti parantaa siten litiumionien kuljetusta ja ratkaisee resistanssiongelmat polymeeri-keraamin rajapinnassa.

Uusi komposiittielektrolyytti osoittaa korkeamman johtavuuden ja pidemmän elinkaaren jopa matalissa lämpötiloissa. Löydökset viittaavat lupaavaan suuntaan kiintoaineisen litiumakun kehittämiseen arvioivat tutkijat.

Kloridipohjainen ratkaisu

Professori Kisuki Kangin johtamat tutkijat Institute for Basic Sciencen (IBS) nanopartikkelien tutkimuskeskuksesta ovat myös ilmoittaneet merkittävästä läpimurrosta seuraavan sukupolven kiintoaineakkujen alalla.

Heidän löytöjen uskotaan mahdollistavan sellaisten akkujen luomisen, jotka perustuvat uuteen kloridipohjaiseen kiinteään elektrolyyttiin, jolla on poikkeuksellinen ionijohtavuus.

Kloridipohjaisten kiinteiden elektrolyyttien innovaatiot, jotka korostavat metalli-ionien järjestelyä, osoittavat lupauksen korkeasta ioninjohtavuudesta ja mekaanisesta vakaudesta ilman kalliita ja harvinaisiamaametalleja.

Tieteilijät ovat jo aiemmin tutkineet kloridipohjaisiakiinteitä elektrolyyttejä, jotka tunnetaan erinomaisesta ioninjohtavuudestaan, mekaanisesta joustavuudestaan ja vakaudestaan suurilla jännitteillä.

Nämä ominaisuudet yllyttivät spekulointiin, että kloridipohjaiset akut olisivat todennäköisimpiä ehdokkaita kiintoaineakuille. Nämä toiveet kuitenkin kuolivat nopeasti, koska idea tukeutui vahvasti kalliisiin ja harvinaisiin maametalleihin kuten yttrium-, skandium- ja lantanidielementteihin toissijaisina komponentteina.

Nyt ryhmä demonstroi zirkoniumiin perustuvan litium-metalli-kloridisen kiintoaineakun, joka on paljon halvempi kuin harvinaisia maametalleja käyttävät muunnelmat.

Tämä oli ensimmäinen tapaus, jossa metalli-ionien järjestelyn merkitys materiaalin ioninjohtavuudelle osoitettiin. Samalla se tuo esiin metalli-ionien jakautumisen aiemmin usein huomiotta jätetyn roolin kloridipohjaisten kiinteiden elektrolyyttien ioninjohtavuudessa.

Elektrodi kovahiilestä vaihtoehtoisille akuille

Litium-ioni akuille on myös etsitty vaihtoehtoja jo pitkään. Natrium(Na)-ioni-akut (NIB) ja kalium-ioni (KIB) ovat kaksi nopeasti nousevaa vaihtoehtoa, jotka ovat kustannustehokkaita ja kestäviä. Onpa alalla jopa teollisia investoijia.

Valitettavasti kuitenkin näissä akuissa käytettyjen elektrodimateriaalien kapasiteetti on heikompi kuin Li-ion akuilla.

Tokyo University Sciencen (TUS) professori Shinichi Komaban johtama tutkimusryhmä on työskennellyt kehittääkseen uraauurtavia ja suurikapasiteettisia elektrodimateriaaleja NIB- ja KIB-akuille.

Uusimmassa tutkimuksessaan he raportoivat uudesta synteesistrategiasta nanorakenteisille "kovahiili" (HC) -elektrodeille, jotka tarjoavat ennennäkemättömän suorituskyvyn.

Toisin kuin muut hiilen muodot, kuten grafeeni tai timantti, kovahiili on amorfista; siitä puuttuu hyvin määritelty kiderakenne. Lisäksi se on vahva ja kestävä.

Aiemmassa tutkimuksessa tutkija löysivät tavan käyttää magnesiumoksidia (MgO) mallina kovahiilisten elektrodien synteesin aikana tavalla, joka muutti niiden lopullista nanorakennetta. Prosessi oli johtanut nanohuokosten muodostumiseen elektrodien sisällä

Yhdessä uudemman tutkimuksen kanssa tulokset osoittavat nyt, että epäorgaanisten nanopartikkelien käyttö mallina huokosrakenteen hallitsemiseksi voi tarjota hyvät suuntaviivat kovahiilisten elektrodien kehittämiselle. "Havaintomme osoittavat, että ne ovat lupaavia kandidaatteja negatiivisille elektrodeille vaihtoehtona grafiitille", toteaa professori Komaba.

Tämä puolestaan voisi tehdä näistä akkuvaihtoehdoista elinkelpoisia käytännön sovelluksiin, kuten ympäristöarvoiltaan kestävän kulutuselektroniikan ja sähköajoneuvojen kehittämiseen sekä vähähiilisiin aurinko- ja tuulipuistojen energian varastointiin.

Syvempiä katsauksia tulevaisuuden akkuihin

Tutkimuslaitoksista on ilmestynyt myös monia tulevaisuuden akkutekniikoita laajemmin ja syvällisemmin kartoittavia tutkimusta.

Muun muassa Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ISI:n syyskuussa julkistama Alternative Battery Technologie Roadmap 2030+ -tutkimus sekä keväällä 2022 julkistama Solid-State Battery Roadmap 2035+ -tutkimus.Näiden pdf-linkit löytyvät aiheeseen liittyvästä tiedotteesta.

Uusin on Fraunhofer Institute for Systems and Innovation Research ja Justus Liebig Universityn lokakuussa 2023 julkistama kaikille avoin A Roadmap for Solid-State Batteries –tutkimuskatsaus.

Joulukuu 2023