Veijo Hänninen
Kohti kiintoaineisia elektrolyyttejä
Seuraavan sukupolven akkujen elektrolyyteiksi on suunniteltu kiinteitä aineita. Kiintoaineiset elektrolyytit ovat turvallisempia, mikä vähentää tulipalon todennäköisyyttä, kun akku on vaurioitunut, siinä on oikosulku tai ylikuumeneminen. Ja kiintoaineiset akut tarjoavat myös korkeamman energiatiheyden ja pidemmän käyttöiän akulle.
Mutta kiintoaineakkujen laajemman käytön on estänyt niiden kalleus ja vaikeus valmistaa suuria määriä.
Joten tutkijat etsivät vaihtoehdoiksi muun muassa geelejä ja orgaanisia aineita ja muita kiintoaine-elektrolyyttien kehittämiseen liittyviä löytöjä.
Savimaista geeliä
Florida State Universityn (FSU) tutkijat ovatkin kehittelemässä litiumkloridista ja galliumfluoridista geelimäistä elektrolyyttiä, joka lupaa parantaa akkuja.
Tohtoriopiskelija Erica Truong työskentelee kemian ja biokemian professorin Yan-Yan Hun tutkimusryhmässä tavoitteenaan kehittää suorituskykyä parantavia ja kaupallisesti kannattavia kiintoaineisia akkujärjestelmiä.
"Tässä tutkimuksessa tarkastelimme uutta kiinteää elektrolyyttirakennetta, jota voidaan yleisesti soveltaa muihin järjestelmiin niiden suorituskyvyn parantamiseksi", Truong sanoo yliopistonsa tiedotteessa.
FSU-tiimi analysoi litiumkloridista ja galliumfluoridista valmistetun lupaavan elektrolyytin rakenteita ja ominaisuuksia. He löysivät strategian, joka voi tehokkaasti edistää ionien kuljetusta kiinteissä elektrolyyteissä.
Hyödyntämällä kansallisen MagLabin ydinmagneettiresonanssijärjestelmiä, tutkijat tarkastelivat yksityiskohtaisesti geelimäisen elektrolyytin rakenteellisia ominaisuuksia, jotka edistävät ionien kuljetusta. Havaittiin, että kloori ja fluori yhdistyvät varausklusteriksi, mikä vapauttaa litiumioneja.
Tämä tarkoittaa nopeaa latausta ja pidempää käyttöikää akulla.
"Varausklusteroinnin ilmiö auttaa heikentämään litiumin ja muiden komponenttien välistä sidosta, joten litium voi liikkua nopeammin ja tehokkaammin elektrolyytin läpi", Truong jatkaa.
”Mielenkiintoista tässä materiaalissa on myös se, että se ei ole puhtaasti kiinteää; se on enemmän saven kaltainen”, toteaa Truong.
Tämä savea muistuttava laatu tarkoittaa, että materiaalia voidaan muotoilla ja muovata sopimaan mihin tahansa tilaan.
"Se voisi olla hyödyllistä, koska se voi integroitua akkuun paremmin ja parantaa elektrolyytin ja elektrodien välistä yhteyttä", Truong selitti.
Projekti toteutettiin yhteistyössä Samsung Advanced Institute of Technologyn kanssa, joka alun perin suunnitteli ja syntetisoi litiumkloridi- ja galliumfluoridielektrolyyttejä vuonna 2021.
FSU:n tutkijat uskovat, että heidän havaintonsa inspiroivat uusia rajoja akkusuunnittelussa, mukaan lukien natriumia, kalsiumia tai magnesiumia käyttävät kiintoaineiset elektrolyytit, mikä johtaa akkuihin, joiden suorituskyky ylittää "paljon huipputason".
Sellaisenaan tutkimus esittelee uudenlaisen elektrolyyttisuunnittelun varausklusteroinnin konseptin, joka liittyy laajalti neste-, polymeeri- ja keraamisiin/lasityyppisiin ionijohtimiin.
Löydöt voivat myös avittaa suunnittelemaan moniarvoisia (Ca2+ ja Mg2+) ionijohteita, joka on tällä hetkellä haastava tutkimusalue ja tuottaa onnistuessaan laajempia ja suurempia vaikutuksia.
Piitä ja geeliä
Erityisesti sähköautoissa kaivataan kiintoaineisia elektrolyyttien tekniikkaa.
Nykyiset sähköautot voivat kulkea noin 700 kilometriä yhdellä latauksella, kun taas tutkijat tähtäävät 1 000 kilometrin ajotaipaleisiin.
Professori Soojin Park, tohtori Minjun Je ja tohtori Hye Bin Son Pohangin tiede- ja teknologiayliopiston (POSTECH) kemian laitokselta ovat kehitelleet seuraavan sukupolven korkean energiatiheyden litiumioniakkujärjestelmän, jossa käytetään mikropiihiukkasia ja geelipolymeerielektrolyyttejä.
Piin käyttäminen akkumateriaalina tuo haasteita: se laajenee yli kolme kertaa latauksen aikana ja supistuu sitten takaisin alkuperäiseen kokoonsa purkautuessaan, mikä ei kyllä tee hyvää akun rakenteille.
Nanokokoisen piin hyödyntäminen ratkaisee ongelman osittain, mutta pitkälle kehitetty tuotantoprosessi on monimutkainen ja kallis, mikä tekee siitä haastavan markkinoita ajatellen.
Sitä vastoin mikrokokoinen pii on erittäin käytännöllinen kustannusten ja energiatiheyden suhteen. Silti suurempien piihiukkasten laajenemisongelma tulee selvemmäksi akkutoiminnan aikana, mikä rajoittaa sen käyttöä anodimateriaalina.
Tutkimusryhmä käytti geelipolymeerielektrolyyttejä kehittääkseen taloudellisen mutta vakaan piipohjaisen akkujärjestelmän.
Litiumioniakussa oleva elektrolyytti on tärkeä komponentti, joka helpottaa ionien liikkumista katodin ja anodin välillä. Toisin kuin perinteiset nestemäiset elektrolyytit, geelielektrolyytit ovat kiinteässä tai geelimäisessä tilassa, joille on tunnusomaista elastinen polymeerirakenne, jolla on parempi vakaus kuin nestemäisillä vastineilla.
Tutkimusryhmä käytti elektronisäteitä muodostamaan kovalenttisia sidoksia mikropiihiukkasten ja geelielektrolyyttien välille. Nämä kovalenttiset sidokset auttavat hajottamaan sisäistä jännitystä, joka aiheutuu tilavuuden laajenemisesta litiumioniakun toiminnan aikana, mikä lievittää mikropiin tilavuuden muutoksia ja parantaa rakenteellista vakautta.
Tulos oli merkittävä: Akun suorituskyky oli vakaa jopa mikropiihiukkasilla (5 μm), jotka olivat sata kertaa suurempia kuin perinteisissä nanopiianodeissa käytetyt.
Lisäksi tutkimusryhmän kehittämä pii-geeli-elektrolyyttijärjestelmä osoitti samanlaista ioninjohtavuutta kuin perinteiset nestemäisiä elektrolyyttejä käyttävät akut ja energiatiheys parani noin 40 %.
Lisäksi tiimin järjestelmällä on merkittävää arvoa sen suoraviivaisen valmistusprosessin ansiosta, joka on valmis heti käyttöön.
Professori Soojin Park korosti: ”Käytimme mikropiianodia, mutta meillä on kuitenkin vakaa akku. Tämä tutkimus tuo meidät lähemmäksi todellista korkean energiatiheyden litiumioniakkujärjestelmää."
Tämä tutkimus tuo esiin potentiaalisen tien parantaa energiatiheyttä elektronissäteilytykseen perustuvissa tulevaisuuden akkuteknologioissa, mullistaa energian varastointijärjestelmiä ja seuraavan sukupolven akkuja jopa olemassa olevilla akkujen tuotantolinjoilla arvioivat tutkijat.
Akkuja ilman kobolttia ja nikkeliä
Monet sähköajoneuvot käyttävät akkuja, jotka sisältävät kobolttia – metallia, josta aiheutuu suuria taloudellisia, ympäristöllisiä ja sosiaalisia kustannuksia.
MIT:n tutkijat ovat nyt suunnitelleet akkumateriaalin, joka voisi tarjota kestävämmän tavan käyttää sähköautoja. Uusi litiumioniakun konsepti sisältää orgaanisiin materiaaleihin perustuvan katodin koboltin tai nikkelin sijaan.
Uudessa työssään tutkijat osoittivat, että tämä materiaali, jota voitaisiin tuottaa paljon halvemmalla kuin akkukoboltti, voi johtaa sähköä samalla nopeudella kuin kobolttiakut. Uudella akulla olisi myös vertailukelpoinen varastointikapasiteetti ja se voidaan ladata nopeammin kuin kobolttiakut, tutkijat raportoivat.
Työ esittelee kerrostettua orgaanista elektrodimateriaalia, jonka korkea sähkönjohtavuus, suuri varastointikapasiteetti ja täydellinen liukenemattomuus mahdollistavat Li+-ionien palautuvan interkalaation, jolloin se kilpailee elektroditasolla kaikissa asiaankuuluvissa mittareissa epäorgaaniseen perustuvan litiumioniakun kanssa. katodeilla.
Optimoitu katodimme varastoi 306 mAh g–1 katodi, tuottaa energiatiheyden 765 Wh kg–1 katodi, korkeampi kuin useimmat kobolttipohjaiset katodit, ja se voi ladata ja purkaa vain 6 minuutissa. Tutkijoiden mukaan tulokset osoittavat kestävien orgaanisten elektrodimateriaalien toiminnallisen kilpailukyvyn käytännön akuissa.
Tunnista "haamu" akkujen sisällä
Argonnen kansallisen laboratorion tutkijat ovat tuoneet tärkeää uutta valoa siihen, miltä akkuvikojen varhaiset merkit näyttävät. Heidän tutkimuksensa - joka liittyy tilaan nimeltä (soft-shorts) pienet oikosulut - tarjoaa tutkimusyhteisölle arvokasta tietoa ja menetelmiä parempien sähköajoneuvojen akkujen suunnitteluun.
Ryhmän työ paljasti, että soft-shortseilla on erittäin dynaaminen käyttäytyminen. Ne muodostuvat, katoavat ja uudistuvat usein vain mikro- tai millisekunnissa.
"Tämä on tärkeä huomio akkututkijoille", Counihan sanoi." Tyypillisillä akkutesteillä laboratoriossa tutkijat voivat mitata jännitettä vain minuutin välein. Tuona aikana olisit voinut jättää väliin tuhansien pienten oikosulkujen muodostumisen ja kuoleman. Ne ovat kuin pieniä haamuja, jotka tuhoavat akun tietämättäsi."
Tiimi halusi tarjota tutkijoille ympäri maailmaa näkemyksiä pikku oikareista työssään. Esimerkiksi esitetyt tekniikat voivat auttaa edistämään kovien kiinteiden elektrolyyttien suunnittelua, jotka estävät litiumfilamenttien kasvun.
"Kun tutkijat ymmärtävät akkujensa pehmeiden oikareiden dynamiikan, he ovat paremmin valmiita jalostamaan materiaalejaan välttääkseen nämä vikareitit", Counihan selventää.
Siksi oikosulkujen muodostumista, vaikutusta sähkökemialliseen kennovasteeseen ja lyhyttä käyttäytymistä ajan mittaan tutkitaan liian vähän siitä huolimatta, että oikosulut, eivät niinkään dendriitit ovat kennon toimintahäiriön suora syy.
Helmikuu 2024