Perusteita tehokkaammille akuille

Tietyn lämpötilan yläpuolella SO4-2 -anionit alkavat pyöriä ja samanaikaisesti lähellä olevat Li-kationit muuttuvat erittäin liikkuviksi. Linda Nazarin työ osoittaa, että tietyissä kiinteissä elektrolyyteissä kemiallisen koostumuksen muuttaminen mahdollistaa anionin pyörimisen ja siipiratasvaikutuksen huoneenlämpötilan alapuolella.

The Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) on tehnyt harppauksia kiinteän elektrolyytin akkujen parissa, jotka voisivat olla nykyisten Li-ion-akkujen seuraajia. Heidän työ tähtää nopeuttaa litiumionien liikkumista kiinteän elektrolyytin akkuratkaisuissa käyttämällä anionien siipiratas (paddlewheel) vaikutusta.

”JCESR haluaa ymmärtää akun käyttäytymisen atomien ja molekyylien tasolla. Tämän tietämyksen avulla pystymme rakentamaan akun alhaalta ylöspäin, atomista atomiin ja molekyylistä molekyyliin, missä jokaisella atomilla ja molekyylillä on määrätty rooli tuotettaessa tavoiteltua akun käyttäytymistä." toteaa JCESR:n johtaja George Crabtree.

Waterloon yliopiston professori Linda Nazar sekä hänen tutkijatohtorinsa Zhizhen Zhang julkaisivat tutkimuksensa kiinteärakenteisten akkujen litiumionien liikkuvuuden parantamisesta käyttämällä siipiratas vaikutusta, mikä on atomien koordinoitu liikettä.

Hyvin harvoilla solid-state elektrolyyteillä ioninjohtavuus on yhtä hyvä kuin nestemäisillä orgaanisilla elektrolyyteillä. JCESR tutkii lupaavaa ilmiötä, joka nopeuttaa dramaattisesti ionien diffuusiota: normaalisti staattisten negatiivisten ionien (ts. anionien) pyörimisliikkeet kiintoaineisessa elektrolyyttikehyksessä auttavat ajamaan positiivisten Li+ - ionien (ts. kationien) liikettä.

Georgia Institute of Technologyn vetämä tutkimusryhmä on puolestaan havainnut, että tietyt hiukkaset muodostavat spontaanisti onttoja rakenteita akkujen varaus-purku jakson aikana kokoaan muuttamatta, mahdollistaen siten suuremman ionivirtauksen anodeja vahingoittamatta.

"Onttoja nanomateriaaleja on tehty jo jonkin aikaa ja se on lupaava lähestymistapa korkean energiatiheyden akkujen eliniän ja vakauden parantamiseksi", kertoo professori Matthew McDowell.

”Ongelmana on ollut, että näiden onttojen nanorakenteiden suora syntetisointi kaupallisiin sovelluksiin tarvittavissa määrin on haastavaa ja kallista. Löytömme voisi tarjota helpomman, virtaviivaisemman prosessin, joka voisi johtaa parempaan suorituskykyyn tavalla, joka on samanlainen kuin tarkoituksella suunnitellut ontot rakenteet."

Mahdollisuus muodostaa ja täyttää palautuvasti onttoja hiukkasia akkusyklin aikana tapahtui vain oksideilla päällystetyillä antimoninanokiteillä. Antimoni on suhteellisen kallis ja eikä sitä tällä hetkellä käytetä kaupallisissa akkuelektrodeissa mutta McDowell uskoo, että spontaani onttous voi tapahtua myös vähemmän kalliissa materiaaleissa, kuten tinassa.

Löydöllä myös toinen mielenkiintoinen ominaisuus: niitä voidaan käyttää myös natrium- ja kalium-ioni-akuissa. Seuraavat vaiheet sisältävät muiden materiaalien testaamisen ja suuntauksen kaupalliseen mittakaavaan.

Aiheista aiemmin:

Uudenlainen elektrodirakenne tehokkaammille akuille

Palamattomia ja tehokkaampia akkuja

Harppauksia piianodien käyttöönotossa