Veijo Hänninen

Akkutekniikan kesäkatsaus

Akkutekniikka on edelleen innokkaan tutkimustyön kohteena. Kesän aikana eri tutkijayhteisöt kertoivat useista uusista akkutekniikan kehitysvaiheista.


Juhannuksen aikoihin Stanfordissa julkaistiin uusi akkuelektrolyytti, joka voi parantaa pitkään kaivattua sähköajoneuvojen suorituskykyä.

Tutkijat osoittavat miten heidän kehittämä elektrolyytti voisi tehostaa litium-metalliakkujen suorituskykyä.

Litiummetalliakku voi varastoida noin kaksi kertaa niin paljon sähköä kiloa kohti kuin nykypäivän tavanomainen litium-ioniakku.

Kuitenkin litiummetalliakun anodi reagoi nestemäisen elektrolyytin kanssa ja se aiheuttaa dendriittiongelman. Sitä tutkijat ovat yrittäneet ratkoa jo vuosikymmeniä.

"Elektrolyytti on ollut litiummetalliakkujen Akilleen kantapää", sanoo kemian jatko-opiskelija Zhiao Yu. "Käytämme tutkimuksessamme orgaanista kemiaa suunnitellessamme ja luomalla uusia, vakaita elektrolyyttejä näille akuille."

Tutkijat yrittivät selvittää, pystyisivätkö he käsittelemään vakausongelmia tavallisella, kaupallisesti saatavalla nestemäisellä elektrolyytillä.

"Oletimme hypoteesin, että fluoriatomien lisääminen elektrolyyttimolekyyliin tekisi nesteestä vakaamman", Yu sanoi. ”Fluori on laajalti käytetty elementti litiumakkujen elektrolyyteissä. Käytimme sen kykyä houkutella elektroneja luomaan uuden molekyylin, jonka avulla litiummetallinen anodi voi toimia hyvin elektrolyytissä."

Tuloksena oli uusi synteettinen yhdiste, lyhenteenä FDMB.

"Elektrolyyttisuunnittelusta on tullut hyvin eksoottista", Bao sanoi. ”Jotkut ovat osoittaneet hyviä lupauksia mutta niiden tuottaminen on erittäin kallista. Kehitetty FDMB-molekyyli on helppo valmistaa suurina määrinä ja melko halpaa. "

Stanford-joukkue testasi uutta elektrolyyttiä litiummetalliakussa.

Tulokset olivat dramaattisia. Kokeellinen akku säilytti 90 prosenttia alkuperäisestä varauksestaan 420 lataus-purkusyklin jälkeen. Laboratorioissa tyypilliset litiummetalliakut lakkaavat toimimasta noin 30 syklin jälkeen.

Luontoa matkiva pinnoite

Samoihin aikoihin Aalto-yliopiston tutkijat onnistuivat ensimmäisinä maailmassa hyödyntämään hiilidioksidia akkua suojaavan pinnoitteen valmistuksessa. Tulevaisuudessa pinnoite voisi moninkertaistaa akkujen keston ja mahdollistaa uusien, tehokkaampien materiaalien käytön.

Kun akkuja ladataan ja käytetään, niihin muodostuu monimutkainen SEI-kerros (solid electrolyte interphase). Tutkijat ovat huomanneet, että jos akun elektrodin pinnalle tehdään atomikasvatuksella keinotekoinen kerros, akkuja voi ladata ja käyttää pidempään. Varsinainen elektrodimateriaali säästyy, kun erikseen lisätty kerros reagoi ja muodostaa suojaavan SEIn.

Atomikerroskasvatuksessa on käytetty epäorgaanisia materiaaleja eli materiaaleja, jotka eivät sisällä hiiltä. Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat ensimmäisinä maailmassa onnistuneet valmistamaan pinnoitteen hyödyntäen molekyylikerroskasvatuksessa hiilidioksidia.

”Teemme täysin luonnollista SEI-kerrosta matkivan pinnoitteen, joka toivottavasti suojaa varsinaista elektrodimateriaalia”, kertoo tohtorikoulutettava Juho Heiska.

Akun kestävyyden lisäämisen lisäksi keinotekoinen SEI voi mahdollistaa myös uusien, tehokkaampien elektrodimateriaalien käytön.

Kuvassa hiilinanoputkia päällystettynä hiilidioksidin avulla tehdyllä pinnoitteella.

Uusia akkukehitelmiä

Litiumioniakuilla (LIB) on monia etuja mutta saatavissa on paljon runsaampia metalleja, kuten natrium, kalium, sinkki ja alumiini.

Näillä alkuaineilla on samanlainen kemia kuin litiumilla ja niitä on äskettäin tutkittu laajasti, mukaan lukien natrium-ioni-akut (SIB), kalium-ioni-akut (PIB), sinkki-ioni-akut (ZIB) ja alumiini-ioni-akut (AIB). Huolimatta lupaavista näkökohdista, jotka liittyvät redox-potentiaaliin ja energiatiheyteen, näiden kehitystä on haitannut sopivien elektrodimateriaalien puute

Heinäkuussa julkaistu uusi nanotekninen strategia osoittaa uusia mahdollisuuksia tähän ongelmaan.

Sydneyn teknillisen yliopiston professori Guoxiu Wangin johtamassa tutkimuksessa kuvataan strategia, jossa käytetään 2D-grafeenin nanomateriaalissa rajapintarasituksen muokkausta uudentyyppisen katodin tuottamiseksi. Rasituksen tai venyttelyn suunnittelulla viritetään materiaalin ominaisuuksia muuttamalla sen mekaanisia tai rakenteellisia ominaisuuksia.

"Tämä tutkimus osoittaa uudenlaisten nollarasituksisien katodien Na+, K+, Zn2+, Al3+ ionien palautuvalle interkaloitumiselle 2D-monikerroksisen VOPO4-grafeeniheterostruktuurin rajapintarasituksen avulla.

Tutkijoiden mukaan tämä työ esittää lupaavan strategian hyödyntää 2D-materiaalien mekaanis-rakenteellisen rasituksia uudenlaisiin energian varastointisovelluksiin.

Uudenlainen materiaalien nanoarkkitehtuuri mahdollistaa uuden sukupolven korkeaenergisten akkujen kehittämisen Li-ionikemian ulkopuolella.

Nestemäinen huonelämpöinen metalliakku

Texasin Austinin yliopiston insinööritieteiden Cockrell korkeakoulun tutkijat ovat julkaisseet peräti kaksi uutta akkuteknistä kehitystyötulosta.

He ovat luoneet niin kutsutun "huonelämpöisen täysin nestemäisen metalli-akun", joka sisältää parhaat puolet nestemäisten ja kiinteiden olomuotojen akuista.

Nestemäiset akut voivat toimittaa energiaa tehokkaammin ilman kiintoaineisten laitteiden pitkäaikaista heikkenemistä, mutta ne joko eivät riitä korkeisiin energiantarpeisiin tai vaativat huomattavia resursseja elektrodien jatkuvalle lämmittämiselle ja pitämiseksi sulana.

Ryhmän kehittämän akun metalliset elektrodit voivat jäädä nestemäisiksi 20 celsiusastee lämpötilassa. Tämä edustaa suurta muutosta, koska nykyiset nestemäiset metalliakut on pidettävä yli 240 celsiusasteen lämpötilassa.

Akku sisältää natrium-kaliumseoksen anodina ja galliumpohjaisen seoksen katodina. Tutkijat huomauttavat, että voi olla mahdollista luoda akusto, jolla on vielä matalammat sulamispisteet, käyttämällä erilaisia materiaaleja.

Nestemäisten komponenttien takia akku voidaan skaalata helposti ylös tai alaspäin tarvittavan virran mukaan.

Ilman kobolttia

Toinen Texasin tutkijoiden saavutus on tuottaa kobolttivapaa korkeaenerginen litiumioniakku.

Sellaisen akun katodi perustuu korkeaan nikkelipitoisuuteen. Katodi on 89 prosenttisesti nikkeliä. Muut keskeiset alkuaineet ovat mangaani ja alumiini.

Lisääntynyt nikkeli tarkoittaa, että se voi varastoida enemmän energiaa. Yleensä lisääntynyt energiatiheys johtaa kompromisseihin, kuten lyhyempään sykliseen käyttöikään. Tutkijat kuitenkin kertoivat voittaneensa lyhyen syklin elinkaaren ja huonojen suorituskykyongelmien etsimällä optimaalisen metallien yhdistelmän ja varmistamalla niiden ionien tasaisen jakautumisen.

Avain tutkijoiden läpimurtoon löytyy atomitasolla. Synteesin aikana he kykenivät varmistamaan, että eri metallien ionit pysyivät tasaisesti katodin kiderakenteessa. Pitämällä ionit tasaisesti jakautuneena tutkijat pystyivät välttämään suorituskyvyn heikkenemisen.

Tutkija työstävät aihetta jo UT:n teknologiakaupallisen toimiston kanssa perustaen TexPower-nimisen startup-teknologian markkinoille saattamiseksi.

Anodi natrium-ioni akulle

Skoltechin ja Moskovan valtionyliopiston (MSU) tutkijat ovat tunnistaneet uuden lupaavan sähkökemiallisten energialähteiden luokan sähkökemiallisen reaktion tyypin, joka liittyy varauksen varastointiin natrium-ioniakkujen (SIB) anodimateriaalissa.

Heidän havaintonsa ja saman ryhmän kehittämä anodin valmistusmenetelmä auttavat lähentämään SIB:n kaupallistamista.

Natrium on yleinen alkuaine maankuoressa ja sen suolat ovat noin sata kertaa halvemmat kuin litiumin.

SIB-katodeille tai elektrolyyteille soveltuvia koostumuksia ja rakenteita on laaja valikoima, kun taas anodi on edelleen kompastuskivi. Grafiitti, jota käytetään LIB:ssä, ei toimi SIB:llä, koska hiilen kuusikulmainen ja natriumkationien koot eroavat liikaa interkalaation aikaansaamiseksi. Kova hiili näyttää olevan ainoa materiaali, jota voidaan todella käyttää anodissa.

"On olemassa useita hypoteeseja siitä, kuinka natriumia voitaisiin viedä kovaan hiileen. Tutkimuksessamme validoimme ja laajensimme hiukan niistä. Havaitsimme, että kova hiili osoittaa interkalaatiotyyppistä käyttäytymistä keräämään suurimman osan varauksesta, mikä on hieno uutinen.

"Tämä työ on huomattava paitsi osoittamalla, kuinka kova hiili toimii natriumionijärjestelmässä, mutta myös etsiessään tapaa tuottaa kovaa hiiltä, jonka kapasiteetti on yli 300 mAh/g, mikä on verrattavissa grafiitin vastaavaan LIB:ssä.

Akkututkimus johti lasimaiseen metalliin

Materiaalitieteilijät, jotka tarkastelivat muutamaa ensimmäistä akun varaamisen hetkeä, kohtasivat hämmästyttävän tapahtuman. Heidän löytö uhmasi odotuksia, logiikkaa ja kokemuksia. Vielä tärkeämpää on, että se voi avata oven parempien akkujen, nopeampien katalyyttien ja muihin materiaalitieteiden harppauksiin.

Idaho National Laboratoryn ja Kalifornian San Diegon yliopiston tieteilijät tutkivat litiumin varaamisen varhaisimpia vaiheita atomitasolla. Yllätyksekseen he oppivat, että hidas, vähäenerginen varaus sai litiumatomeja kerrostumaan elektrodille sekavalla tavalla, mikä parantaa varauskäyttäytymistä. Tätä ei-kiteistä “lasimaista” litiumia ei ole koskaan havaittu ja tällaisen amorfisten metallien luominen on perinteisesti ollut erittäin vaikeaa.

Tulokset ehdottavat strategioita hienosäätää varausmenetelmiä akun käyttöiän pidentämiseksi mutta myös lasimaisten metallien valmistamiseksi muihin sovelluksiin.

Löytö tuli shokkina, koska puhdasta amorfista alkuainemetallia ei ollut koskaan ennen havaittu.

"Verrattuna kiteiseen litiumiin, lasinen litium on parempi sähkökemiallisessa palautuvuudessa ja on haluttu rakenne korkeaenergisille ladattaville akuille", tutkijat kirjoittavat.

Tutkimuksen kuvaus nanorakenteisten litiumatomien (sinisten) kehitystä elektrodille (keltainen) akun latauksen aikana.

Spinellejä uusista materiaaleista

Argonne National Laboratoryn tutkijoiden tavoitteitaon puolestaan löytää vaihtoehtoisia litiummetalli-oksidielektrodeja, korvaajaksi koboltille, joka on yleinen pienlaitteiden akuissa, mutta liian kallis ja vain lyhyiden ajomatkojen kapasiteetin rakenne sähköajoneuvoille.

ANL:n tutkimissa materiaaleissa on mangaanirikkaita yhdisteitä, koska mangaani on runsas ja halpa; litium-mangaanioksidit ovat myös termisesti turvallisempia käyttää, mutta eivät niin energiatiheitä kuin niiden kobolttivastaavat.

Jo aiemmin käyttöön otettu spinelli-tyyppinen” rakenne, tuotti aikoinaan halvemman ja turvallisemman ratkaisun kuin suosittu litium-koboltti-oksidi kerrosrakenne. Tosin sillä oli heikompi suorituskyky.

Spinelli on järjestynyt, tiivisti pakattu 3D-rakenne, joiden 3D-kanaviin litium sopii nopeasti, ja voi näin ollen antaa suuren tehon, mikä tekee niistä paremman kuin 2D-kerroksellinen ja 1D-tunneli elektrodi rakenteet, joita muut litiumioniakut käyttävät.

"Tämän tutkimuksen perimmäinen tavoite on tehdä rakenteellisesti vakaa, mangaanirikas elektrodi litiumioniakkua varten, joka voi antaa energiaa pidemmäksi aikaa", tutkija Jason Croy sanoo.” Toiveena on, että yhdistämällä spinellejä uusien materiaalien kanssa, pystymme kehittämään uusia taloudellisesti kannattavia vaihtoehtoja koboltti- ja nikkeli-rikkaille materiaaleille.”

Elokuu 2020