Veijo Hänninen

Akkutekniikan kehitys vauhdissa

Uusiutuvat energialähteet, kuten tuuli- ja aurinkoenergia, voivat auttaa vähentämään maailman riippuvuutta fossiilisista polttoaineista mutta tueksi tarvitaan akkuja.

Sinkkiakku ilman anodia

Vesipitoisia sinkkiakkuja on jo entuudestaan tutkittu jakeluverkkomittakaavan energian varastointiin, koska ne ovat turvallisia ja niillä on suuri energiatiheys.

Tähän mennessä kehitetyt ratkaisut ovat kuitenkin vaatineet paksuja sinkkimetallianodeja, jotka sisältävät suuren määrän sinkkiä, mikä lisää kustannuksia.

King Abdullah University of Science and Technologyn (KAUST) tutkijat Yunpei Zhu, Yi Cui ja Husam Alshareef ihmettelivät, tarvitaanko sinkkianodia ollenkaan. Ottaen inspiraatioita aiemmista "anodittomista” litium- ja natriummetalliakkujen tutkimuksista tutkijat päättivät valmistaa akun, jossa sinkkipitoinen katodi on ainoa lähde sinkitykseen kupariselle virrankerääjälle.

Akussaan tutkijat käyttivät mangaanidioksidikatodia, jotka he olivat esi-interkalatoineet sinkki-ioneilla, vesipitoiseen sinkki trifluoro metaani sulfonaatti elektrolyyttiliuokseen ja kupariseen virrankerääjän.

Latauksen aikana sinkkimetallia päällystetään kuparikalvolle ja purkautumisen aikana sitä irrotetaan, mikä vapauttaa elektroneja. Dendriittien muodostumisen estämiseksi tutkijat päällystivät virrankerääjän kerroksella hiilinanolevyjä.

Akun hyötysuhde, energiatiheys ja vakaus olivat korkeat ja se säilytti 63 % varastointikapasiteetistaan 80 lataus- ja purkutoimituksen jälkeen.

Natrium-ioni akut

Merenkulun parissa toimivat tutkijat ovat puolestaan kääntäneet katseensa Natrium-ioni akkuihin (SIB). Ne ovat sähkökemiallisesti samanlaisiakuin litiumioniakut mutta tarjoavat etuja, kuten natriumin runsaus ja edullisempi valmistus.

SIB-akkujen anodimateriaali on kuitenkin tällä hetkellä grafiitti, jolle Korea Maritime & Ocean Universityn tutkijat pyrkivät löytämään sopivasti tehostetun version maksimoimalla hiilimateriaalien nopeuskapasiteetin, mikä sitten optimoi natriumioniakun natrium-ioni akun suorituskyvyn. Suurempi kuva

Tutkimuksessa kehitettiin nanomittakaavan typellä seostettua hiilimateriaalia (NNCM), jossa nanokokoiset primaarihiukkaset kokkaroituvat ja muodostavat meso-makro-hierarkkisen huokoisen rakenteen, joka helpottaa Na+ -diffuusiota. Typpi parantaa hiilimatriisin sähkönjohtavuutta ja tarjoaa runsaasti aktiivisia paikkoja luomalla ulkoisia vikoja.

Nämä tekijät yhdessä antavat NNCM:lle hyvän kapasiteetin säilyttämisen, palautuvan kapasiteetin, erittäin korkean työjaksovakauden (11 000 sykliä 100 A/g:lla) ja korkean coulombisen tehokkuuden.

Uusi katalyytti litium-rikki akulle

Suurin osan elektroniikasta hyödyntää nykyään litiumioniakkuja mutta niiden energian varastointikapasiteetti ei riitä suuriin energian varastointijärjestelmiin.

Litium-rikkiakut (LSB) voivat olla hyödyllisiä tällaisessa tilanteessa niiden viisi kertaa korkeamman teoreettisen energian varastointikapasiteetin vuoksi. Niiden etuina voivat olla myös keveys ja edullisemmat kustannukset.

Mutta niiden käytännöllisen toteutuksen estää reaktioreitti, joka johtaa kiinteän litiumsulfidin (Li2S6) ja nestemäisen litiumpolysulfidin (LiPS) kertymiseen, mikä puolestaan aiheuttaa aktiivisen materiaalin hävikin rikkikatodista ja litiumin korroosiota anodissa.

Uudessa tutkimuksessa Korean Gwangju Institute of Technologyn tutkijat saavuttivat ongelmaa korjaavia tuloksia.

Jo aiemmin tutkijat olivat havainneet kobolttioksalaatilla (CoC2O4) tehdystä tutkimuksesta, että negatiivisesti varautuneet ionit voivat helposti adsorboitua tämän materiaalin pinnalle elektrolyysin aikana. "Tämä motivoi meitä olettamaan, että CoC2O4:llä olisi samanlainen käyttäytyminen rikin kanssa myös LSB:ssä", kertoo tutkimuksen johtaja Jaeyoung Lee GIST:stä.

Havainnot ja analyysit paljastivat, että CoC2O4:n kyky adsorboida rikkiä mahdollisti Li2S6 ja LIPS:n vähentämisen ja dissosiaation. Lisäksi se tukahdutti LiPS:n diffuusion elektrolyyttiin adsorboimalla LiPS:ää sen pinnalle estäen sitä pääsemästä litiumanodiin ja laukaisemasta itsepurkautumisen reaktiota.

"Toivomme, että havainnot voivat saada Litium-rikki akut askeleen lähemmäksi kaupallistamista näihin tarkoituksiin."

Askeleita täyskiinteille akuille

Japanilainen tutkimusryhmä on äskettäin kehittänyt uuden elektrodimateriaalin täysin kiinteärakenteisille akuille. Aiheen vaikeutena on saavuttaa tehokas yhteys elektrolyytin ja aktiivisen elektrodimateriaalin välillä.

Osakan yliopistossa Atsushi Sakuda, Kenji Nagao ja heidän kollegansa ovat kehittäneet positiivisen elektrodimateriaalin yhdistämällä kaksi litiumyhdistettä: litiumsulfaatti (Li2SO4) ja litiumruteeni (Li2RuO3). Tuloksena oleva matriisi tarjosi enemmän tilaa ionien kululle. Näiden uusien akkujen suorituskyky on vaikuttava: 270 mAh/g:n kapasiteetilla ne ylittävät useimmat aiemmat kiintoaineakut.Suurempi kuva

Floridan osavaltion yliopiston tutkimusryhmä on puolestaan kehittänyt tavan käyttää kasveissa olevaa ligniiniä turvallisempien akkujen luomiseen.

Uuden tyyppisen kiinteän elektrolyytin luomiseksi tutkijatiimi yhdisti ligniinin synteettisen polymeeri polyetyleeniglykolin kanssa. Kyseinen aines on suosittu kiinteiden elektrolyyttien ehdokas sen sähkökemiallisen vakauden takia, mutta se ei toimi hyvin huonelämpötilassa.

Ligniinin avulla akku saavuttaa kestävyyttä ja turvallisuutta, joka tulee tyypillisen kiinteän elektrolyytin mukana, mutta saavuttaa myös kyvyn toimia hyvin huoneenlämmössä.

Sähköautojen kaupallistamisen nopeuttaminen

Professori Byoungwoo Kang ja tohtori Junghwa Lee POSTECH:in materiaalitekniikan laitokselta ovat kehittäneet suuren energiatiheyden katodimateriaalin, joka pystyy ylläpitämään varausta ja purkausta vakaasti yli 500 jakson ajan ilman kallista ja myrkyllistä kobolttimetallia.

Tutkimusten tuloksena vahvistettiin, että syntetisoidulla litiumrikkaalla kerrostetulla materiaalilla on optimoitu paikallinen rakenne sähkökemiallisen aktiivisuuden ja syklin ominaisuuksien suhteen. Ne mahdollistavat suuren litiummäärän käytön palautuvasti. Samalla vahvistui, että myös hapen redoksireaktiota voi ajaa vakaasti ja palautuvasti useita satoja syklejä. Suurempi kuva

Optimoiduissa olosuhteissa koboltittoman materiaalin palautuva energia oli 180 % korkeampi 1100 Wh/kg:lla kuin perinteisesti kaupan pidetty korkeasti nikkelinen kerrosmateriaali (esim. LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2), jonka energiatiheys oli 600 Wh/kg.

Grafiitti vaihtoon

Venäläisen MISIS instituutin tutkijat (NUST MISIS) osana kansainvälistä tutkimusryhmää onnistuivat lisäämään litiumioniakkujen kapasiteettia ja pidentämään niiden käyttöikää.

Tutkijat ovat syntetisoineet uuden nanomateriaalin, joka voi korvata nykyisen käytetyn vähemmän tehokkaan grafiitin.

"Anodimateriaalina käytetyt huokoiset nanorakenteiset mikropallot koostumuksella Cu0.4Zn0.6Fe2O4 anodimateriaalina tarjoavat kolme kertaa korkeamman kapasiteetin kuin markkinoilla olevat akut. Lisäksi sen avulla voidaan lisätä lataus- ja purkausjaksojen määrää viisikertaisesti verrattuna muihin lupaaviin vaihtoehtoihin grafiitille. Tämä parannus saavutetaan synergistisen vaikutuksen ansiosta, jossa yhdistyvät erityinen nanorakenne ja käytettyjen alkuaineiden koostumus, toteaa Evgeny Kolesnikov tutkimuslaitoksensa tiedotteessa.

Argonnen kansallisen laboratorion ja Kalifornian yliopiston San Diegon tutkijat ovat puolestaan havainneet, että materiaali, joka näyttää geometrisesti samanlaiselta kuin kivisuola, voisi olla mielenkiintoinen ehdokas litiumakun grafiittianodeille, joita käytettäisiin pikalataussovelluksissa.

Tunnettu litiumkivisuolana (Li3V2O5) sisältää litium-, vanadium- ja happiatomeja, jotka ovat järjestyneet samalla tavalla kuin pöytäsuola, mutta sen kiderakenteessa on enemmän häiriöitä. Litiumkivisuolaisen version kapasiteetti ja energia ovat hieman pienempiä kuin grafiitilla, mutta se on nopeampi, turvallisempi ja sillä on pidempi käyttöikä.

Grafiittia ja lyijyä

Toinen ryhmä Argonnen ja muita tutkijoita raportoi puolestaan käyttäneensä uuteen elektrodisuunnitelmaan edullisia lyijyä ja hiiltä.

"Uusi anodi voisi tarjota uuden tulovirran teollisuudelle, joka tällä hetkellä toimii lyijyakkujen valmistuksen ja kierrätyksen parissa." – Eungje Lee, Argonnen kemian ja tekniikan materiaalitieteilijä

Ryhmän anodi koostuu lukemattomia mikroskooppista hiukkasista, joilla on monimutkainen rakenne: lyijynanohiukkaset upotettuina hiilimatriisiin ja suljettu ohuella lyijyoksidikuorella. Vaikka tämä rakenne kuulostaa monimutkaiselta, tiimi keksi yksinkertaisen, edullisen menetelmän sen valmistamiseksi.

"Tämä perustavanlaatuinen oivallus voi osoittautua tärkeäksi lyijyn ja myös piianodien reaktiomekanismin ymmärtämisessä", Lee sanoo ja toteaa, että piianodi on toinen edullinen, erittäin suorituskykyinen ehdokas seuraavan sukupolven litiumioniakuille.

Koneoppiminen tukee akkujen kehitystä

Tieteilijät ovat ottaneet merkittävän askeleen eteenpäin koneoppimisen hyödyntämisessä parempien akkujen suunnittelun nopeuttamiseksi: Sen sijaan, että käyttäisivät koneoppimista vain tieteellisen analyysin nopeuttamiseksi, kuten tutkijat yleensä tekevät, he yhdistivät sen kokeista saatuun tietämykseen ja fysiikan yhtälöihin löytämään ja selittämään prosessin, joka lyhentää nopeasti ladattavien litiumioniakkujen käyttöikää.

Se oli ensimmäinen kerta, kun tätä lähestymistapaa, joka tunnetaan nimellä "tieteellinen koneoppiminen", on sovellettu akkujen työjaksotteluun, kertoo Will Chueh, Stanfordin yliopiston apulaisprofessori ja tutkija SLAC kiihdytinlaboratoriosta.

Uusi tutkimus kohdistui akkujen elektrodeihin, jotka akkujen työjaksojen vuorottelussa turpoilevat ja kutistuvat heikentäen vähitellen niiden kykyä varastoida energiaa ja nopea lataaminen vain pahentaa asioita.

Näiden kokeiden data sekä nopean latauksen matemaattisista malleista saatu informaatio ja yhtälöt, jotka kuvaavat prosessin kemiaa ja fysiikkaa, sisällytettiin tieteellisiin koneoppimisalgoritmeihin.

Tähän asti tutkijat ovat olettaneet, että hiukkasten väliset erot ovat merkityksettömiä ja että niiden kykyä varastoida ja vapauttaa ioneja rajoittaa se, kuinka nopeasti litium voisi liikkua hiukkasten sisällä, selvittää tutkijatohtori Stephen Dongmin Kang.

Uusi lähestymistapa paljasti, että hiukkaset itse hallitsevat kuinka nopeasti litiumionit liikkuvat katodipartikkeleista, kun akku latautuu. Jotkut hiukkaset vapauttavat välittömästi suuren määrän ionejaan, kun taas toiset vapauttavat hyvin vähän tai eivät ollenkaan.

"Meillä on nyt kuva siitä, kuinka litium liikkuu akun sisällä, ja se on hyvin erilainen kuin tutkijoiden ja insinöörien mielestä se oli", Kang selvittää. ”Tämä epätasainen lataaminen ja purkaminen lisää stressiä elektrodeille ja lyhentää niiden käyttöikää. Tämän prosessin ymmärtäminen perustasolla on tärkeä askel kohti pikalatausongelman ratkaisemista", täydentää Kang.

Maaliskuu 2021