Uusia rakenteita Litium-ioni akuille

Litiumionit diffusoituvat nopeasti perovskiitin hilassa, aineessa jota kutsutaan samarium-nikkelaatiksi.

Argonne National Laboratoryn sekä Purduen ja Rutgersin yliopistojen tutkijat ovat löytäneet lupaavan kiinteän materiaalin, joka johtaa litiumioneja.

Ionien kuljettaminen materiaalien läpi on keskeisessä asemassa monissa sähköjärjestelmissä - akuista aivoihin.

Tutkimuksessa osoitettiin, että kiinteä samarium-nikkelaatti kuljettaa nopeasti litiumioneja tietyissä olosuhteissa.

Argonnen tutkija Subramanian Sankaranarayananin mukaan ”Olemme tunnistaneet materiaalin, jolla on parempia eristysominaisuuksia kuin nesteellä ja ionien johtavuus, joka on harvinaista kiinteälle aineelle.”

”Olemme tunnistaneet materiaalin, jolla on parempia eristäviä ominaisuuksia kuin nestemäisillä elektrolyyteillä, kuten alkyylikarbonaateilla, joita yleisesti käytetään nykyisissä akuissa ja ionien johtavuutta, joka on harvinaista kiinteälle aineelle”, sanoi Subramanian Sankaranarayanan.

Tiedemiehet aikovat tutkia muitakin materiaaleja, joilla voi olla samankaltaisia ominaisuuksia tunnistaakseen muita ioneja, joita samarium nikkeli voi johtaa.

Nopeasti ladattavan ja suurella kapasiteetilla toimivan litium-ioniakun luominen on puolestaan Rensselaerin ammattikorkeakoulun julkaiseman tutkimuksen mukaan mahdollista.

Perinteisessä litiumioniakussa anodi on tehty grafiitista ja katodi litiumkobolttioksidista. Nämä materiaalit toimivat hyvin yhdessä mutta Rensselaerin tutkijat uskovat, että toimintoa voidaan vielä parantaa.

Tällä kertaa tutkijatiimi paransi Li-Ion akun suorituskykyä korvaamalla kobolttioksidin vanadiinidisulfidilla (VS2).

Se antaa enemmän energiatiheyttä, koska se on kevyt ja tuottaa nopeamman latauskyvyn, koska aine on erittäin johtava. Aiemmin VS2:n potentiaalia haittasi sen epävakaus mutta nyt tutkijat löysivät sen mistä tämä epävakaus johtui ja kehittivät myös keinon torjua sitä.

He havaitsivat, että hiutaleiden peittäminen titaanidisulfidin (TiS2) nanokerroksisella pinnoitteella vakauttaa VS2-hiutaleet ja parantaa niiden suorituskykyä akussa.

MIT:n ja kiinalaiset tutkijat kertovat tuovansa litiumakkujen kehitykselle uuden katodin. Heidän kehittämät hybridit katodit voisivat antaa enemmän tehoa tietylle painolle ja tilavuudelle.

Tutkijoiden hybridikatodissa yhdistyy kaksi aiemmin käytettyä lähestymistapaa. Yksi tapa on energiatuotannon nostaminen kiloa kohti (gravimetrinen energiatiheys) ja toinen energiaa litraa kohti (tilavuudellinen energiatiheys).

Nykyisien litiumioniakkujen katodit on yleensä valmistettu siirtymämetallioksidista mutta rikkikatodeilla varustetut akut katsotaan lupaavaksi vaihtoehdoksi painon vähentämiseksi.

Rikkikatodin suunnittelussa joudutaan kuitenkin tekemään kompromissi.

Ne voidaan toteuttaa joko interkalaatioon tai muunnokseen perustuen. Interkalaatiotyypit, kuten litiumkobolttioksidi antaa suuren tilavuudellisen energiatiheyden ja ne voivat säilyttää rakenteensa ja ulottuvuutensa vaikka sisällyttävät litiumatomit kiteiseen rakenteeseensa.

Muunnostyypissä käytetään rikkiä, joka transformoituu rakenteellisesti ja väliaikaisesti jopa liukenee elektrolyyttiin. Teoreettisesti näillä on erittäin hyvä gravimetrinen energiatehokkuus mutta tilavuustiheys on alhainen.

Uudessa hybridijärjestelmässään tutkijat ovat onnistuneet yhdistämään nämä kaksi lähestymistapaa uuteen katodiin, joka sisältää sekä molybdeenisulfidin tyypin, nimeltään Chevrel-faasin, että puhdasta rikkiä, jotka yhdessä näyttävät tarjoavan molempien parhaat puolet.

Aiheista aiemmin:

Ionijohteita uusille teknologioille

Lisäkalvo tekee litiumioniakuista turvallisia