Pieniä parannuksia litiumioni-akuille

Elektronimikroskoopin (FE-SEM) kuvat piianodista, joka koostuu spray-saostetuista nanohiukkasista ruostumattoman teräksen virrankeräimellä sekä anodilla täyteen ladatussa tilassa.

(3.1.2020) Japanilaisen NIMS-tutkimuslaitoksen vetämä tutkimus paljastaa, että kiinteiden elektrolyyttien piianodilla, joka rakentuu spreijaamalla levitetyistä piin nanohiukkasista, on erinomainen suorituskyky. Sellainen on aiemmin ollut havaittu vain kalvoelektrodeilla, jotka on valmistettu kalliimmalla haihdutusprosessilla.

Tämä uusi tulos viittaa siihen, että edullinen ja laajamittainen suurikapasiteettisten anodien tuottaminen käytettäväksi kaikissa solid-state -akuissa on mahdollista.

Piin teoreettinen kapasiteetti on noin 11 kertaa suurempi kuin grafiitin mutta sen tilavuuden muutos (~ 300%) latauksen ja purkuvaiheen aikana estää sen käytäntöön soveltamista.

Kiinteärakenteisissa kennoissa aktiivinen materiaali sijoitetaan kiinteiden elektrolyyttierotinkerroksen ja metallisen virrankeräimen väliin, jolloin voidaan välttää aktiivisen materiaalin sähköinen eristyminen.

Kuitenkin anodin kustannustehokas ja teollisesti skaalautuva synteesi täysin kiinteärakenteisille akuille on edelleen suuri haaste. NIMS-tutkijat ovat nyt käyttäneet edullisempaa synteesimenetelmää, jossa hyödynnetään kaupallisia piin nanohiukkasia.

Lisäksi he ovat havainneet, että litioitumisen aikana nanohiukkaset laajenevat, tiivistyvät ja yhdistyvät rajoitetussa tilassaan, jolloin syntyy jatkuva kalvo, joka on yhtä hyvä kuin haihdutusprosessissa valmistettu.

Oxfordin ja Sevillan yliopistojen tutkijat ovat puolestaan julkaisseet saavutuksensa, jossa he määrittelevät uuden strategian turvallisempien ja tehokkaampien litium-ioni akkujen valmistamiseksi.

Vahvimpia ehdokkaita korvaamaan osaa nykyistä tekniikkaa ovat ns. litiumsiirtymämetallioksidit. Sellaiset pystyvät varastoimaan suuremman energiatiheyden kuin perinteiset ja ovat turvallisempia, halvempia ja vähemmän haitallisia ympäristölle.

Niiden ongelma on kuitenkin se että suuri osa energiatiheydestä menetetään ensimmäisessä latausjaksossa. Tämän ongelman voittamiseksi tutkijat kehittelivät kahden tyyppisiä interkalaatiotyyppisiä katodeja. Ne ovat koostumukseltaan hyvin samanlaisia, mutta käyttäytyvät eri tavoin: yksi niistä kärsii tunnetusta energiatiheyden menetyksestä ensimmäisessä latausjaksossa mutta toinen ei.

Erilainen käyttäytyminen johtuu tietyntyyppisen uuden rakenteen muodostumisesta eli metalliatomien erityisestä järjestyksestä. Se estää uudelleenjärjestelyjä ensimmäisen latausjakson aikana.

"Tämän tuloksen avulla voimme päästä eroon yhdestä periaatteellisesta pullonkaulasta, joka on tähän asti ollut esteenä tämän tyyppisen tekniikan kehittämisessä", toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Kävisikö pii sittenkin akkuanodiksi

Uusia rakenteita Litium-ioni akuille