Elektrodeina pii ja rikki

Kalifornian yliopiston, Riverside's Bourns College of Engineering tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen tekniikan luoda korkean suorituskyvyn litiumioniakkuja rikki- ja piielektrodien avulla.

Entistä tehokkaammille akuille pii on lupaavia anodiehdokas, koska sillä on jopa kymmenkertainen kapasiteetti grafiittianodeihin verrattuna. Rikki on puolestaan lupaava katodikandidaatti, jolla on kuusinkertainen nykyisten katodien kapasiteetti.

Näihin elektrodeihin perustuvat litiumionikennot ovat yksi tutkituimpia potentiaalisia järjestelmiä. Kuitenkin sen toteutukset ovat olleet monimutkaisia.

Nyt tutkijaryhmä testasi uutta lähestymistapaa litiumin sisältävän rikki-pii kennon (sulfur-silicon full cells SSFC) luomiseksi. He lisäsivät palan litiumfoliota kennoarkkitehtuuriin niin, että samalla mahdollistettiin kontakti litiumfolion ja virrankeräimen välillä.

"Puolikennoissa käytetään anodina puhdasta litiumia, mikä nostaa esiin turvallisuuskysymyksiä, kuten dendriittien muodostumista ja litiumkorroosiota. Täyskennossa käytetään sen sijaan piitä anodina, mikä lievittää puhtaiden litium-anodien aiheuttamia turvallisuusongelmia säilyttäen akun tavoitellun korkean kapasiteetin", toteaa URC:n jatko-opiskelija Rachel Ye.

Rikki ja pii ovat ympäristöystävällisiä ja runsaita materiaaleja ja niillä on potentiaalia edullisiin valmistuskustannuksiin.

Tavoiteltujen SSFC-rakenteiden suurin rajoitus on litiumin lähde. Tällä hetkellä tutkijat hyödyntävät esilitioituja materiaaleja kuten litiumsulfidia tai litiumsilisidiä. Niihin perustuvat kennot kärsivät kuitenkin lyhyistä syklisestä eliniästä ja vaativat materiaalien erikoiskäsittelyä.

Uudessa ratkaisussa päädyttiin helpompaan tapaan. Kuvassa esitetyllä tavalla piielektrodi on kuvioitu luomaan litiumfoliolle liitokset sekä piielektrodille että virtakeräimeen.

Purkauksen aikana litiumfolion pinta-ala, jolla on suora pääsy ulkoiseen piiriin piinanodin rinnalla, toimii litiumin lähteenä. Näin litiumioneja siirtyy katodille elektrolyytin läpi ja elektronit kulkevat katodille ulkoisen piiriin kautta. Varauksessa litiumionien pelkistävän ominaisuuden vuoksi ne reagoivat mieluummin piinanodin kanssa sen sijaan, että liittyisivät litiumpalaan.

Toimintajaksojen määrän lisääntyessä litium, jolla ei ole suoraa pääsyä ulkoiseen piiriin saa myös pääsyn elektroneihin pii-anodin kautta ja integroituu vähitellen järjestelmään. Tämä johtaa kapasiteetin lisääntymiseen.

Uusi täyden kennon SSFC konfiguraatio seuraavan sukupolven litiumioniakuille osoittaa 350 Wh/kg:n energiatiheyttä yli 250 syklillä ja C/10-toimintatavalla.

Tutkimusjulkaisu Advanced Sulfur-Silicon Full Cell Architecture for Lithium Ion Batteries kokonaisuudessaan netissä.

Aiheesta aiemmin:

Uutta puhtia litium-akkuihin