Uudenlainen elektrodirakenne tehokkaammille akuille

MIT:n vetämä tutkijaryhmä on suunnitellut litiummetallianodin, joka voisi parantaa tulevien akkujen käyttöikää ja energiatiheyttä.

Uusi elektrodikonsepti on peräisin professori Ju Lin laboratoriosta. Se perustuu kauan tavoiteltuun tavoitteeseen käyttää puhdasta litiummetallia akun anodielektrodissa.

"Kiintoaineisten akkujen, litiummetallielektrodien ja kiinteiden elektrolyyttien parissa on tehty paljon työtä", Li toteaa, mutta nämä ponnistelut ovat kohdanneet useita ongelmia.

Ongelmat liittyvät litiummetallin laajenemiseen ja kutistumiseen sekä siihen, että mikään ehdotetuista kiinteistä elektrolyyteistä ei ole kemiallisesti vakaa ollessaan kosketuksissa erittäin reaktiivisen litiummetallin kanssa.

Useimmat yritykset näiden ongelmien ratkaisemiseksi ovat keskittyneet vakaiden kiinteiden elektrolyyttimateriaalien suunnitteluun, mikä on osoittautunut vaikeaksi.

Sen sijaan Ju Li ja hänen tiiminsä hyödynsivät epätavallista suunnitelmaa, jossa käytetään kahta uutta kiinteiden aineiden luokkaa. Ne ovat ”sekoitettuja ioni-elektronisia johteita” (MIEC) ja “elektronien ja Li-ionien eristeitä” (ELI). Ne ovat kemiallisesti stabiileja kosketuksessa litiummetallin kanssa.

Tutkijat kehittivät kolmiulotteisen nanoarkkitehtuurin jossa kuusikulmaisien MIEC-putkien ryhmät muodostuu akun yhden elektrodin. Putkiin on infusoitu kiinteää litiummetallilla mutta jokaisen putken sisälle on jätetty ylimääräistä tilaa.

Kun litium laajenee varausprosessissa, se virtaa tyhjään tilaan putkien sisäpuolella liikkuen nesteen tavoin, vaikka se säilyttäisi kiinteän kiteisen rakenteensa. Tämä virtaus, joka on rajoitettu kokonaan kennorakenteen sisäpuolelle, vapauttaa painetta varauksen aiheuttamasta laajenemisesta, mutta muuttamatta kuitenkaan elektrodin ulkomittoja tai elektrodin ja elektrolyytin välistä rajaa.

Toinen materiaali, ELI, toimii tärkeänä mekaanisena sideaineena MIEC-seinämien ja kiinteän elektrolyyttikerroksen välillä. Koska näiden hunajakennojen kaltaisten rakenteiden seinät on valmistettu kemiallisesti stabiilista MIEC:stä, litium ei koskaan menetä sähkökontaktia materiaalin kanssa, Li sanoo.

Siten koko kiinteä akku voi pysyä mekaanisesti ja kemiallisesti stabiilina kaikkien käyttösykliensä läpi. Ryhmä on todistanut konseptin kokeellisesti suorittamalla testilaitteen sadan lataus- ja purkusyklin läpi tuottamatta yhtään kiinteän aineen rakoilua.

Uusi järjestelmä voisi johtaa turvallisiin anodeihin, jotka painavat vain neljänneksen siitä kuin perinteiset litium-ioni-akkujen vastaavat anodit, joilla on saman verran varastointikapasiteettia.

Tiimi on toistaiseksi rakentanut vain pieniä laboratorioversioita akustaan, mutta ”odotan, että tämä voidaan skaalata erittäin nopeasti”, Li toteaa. Tarvittavat materiaalit, lähinnä mangaani, ovat huomattavasti halvempia kuin muiden järjestelmien käyttämä nikkeli tai koboltti, joten nämä katodit voisivat maksaa vain viidenneksen siitä kuin perinteiset versiot.

Aiheesta aiemmin:

Uudenlainen pinnoite litium-metalli akuille

Akkumetallien tehokkaampaa käyttöä

Uusi anodi ja katodi litiumakuille