Hybridi superkonkka ja hapekas litiumilma-akku

Grafeenihybridit (vasen), jotka on valmistettu orgaanisista metallirungoista (MOF) ja grafeenihappo muodostavat erinomaisen positiivisen elektrodin superkondensaattoreille, jotka saavuttavat samanlaisen energiatiheyden kuin nikkelimetallihydridiakut (73 Wh/kg).

Suurempi kuva

Yksi nopeita tehopurskeita tuottavien superkondensaattoreiden ongelma on ollut niiden energiavarastoinnin heikko energiatiheys.

Münchenin teknillisen yliopiston kemisti Roland Fischerin kanssa työskentelevä tutkijatiimi on nyt kehittänyt uudet, tehokkaat ja kestävät kovalenttiset grafeeni-MOF-hybridit suuritehoisille epäsymmetrisille superkondensaattoreille.

Ne toimivat superkondensaattorin positiivisena elektrodina. Tutkijat yhdistävät sen jo hyväksi todistettuun titaaniin ja hiileen perustuvaan negatiiviseen elektrodiin.

Uusi elektrodi koostuu kemiallisesti modifioidusta grafeenista ja nanorakenteisesta metalliorgaanisesta runkorakenteesta eli MOF:sta. Se toimii tehokkaana varausmateriaalina, jonka kapasitanssi on jopa 651 F/g. Tehotiheydeksi saavutettiin 16 kW/kg.

Grafeenihybridien suorituskyvyn kannalta ratkaisevaa ovat toisaalta suuri ominaispinta ja hallittavat huokoskoot sekä toisaalta hyvä sähkönjohtavuus. Materiaalisuunnittelun avulla tutkijat saavuttivat grafeenihapon yhdistämisen MOF:iin. Saatujen hybridimoduulien sisäpinta on erittäin suuri, jopa 900 neliömetriä grammaa kohti.

Vertailun vuoksi: Klassisen litiumakun käyttöikä on noin 5000 sykliä. Tutkijoiden kehittämä uusi kenno säilytti lähes 88 prosenttia kapasiteetista 10000 syklin jälkeen.

Litiumioniakut (LIB) ovat kuitenkin vallitseva ratkaisu nykyelektroniikalle koska sillä on monille sovellusalueille sopiva korkein sähköinen varastointikapasiteetti painoonsa nähden. Mutta LIB-akkujen energiatiheys on noin sata kertaa vähemmän kuin bensiinin ja niiden teoreettisetkin rajat alkavat tulla vastaan.

Nyt etsitään akkutekniikoita, jotka voisivat jonain päivänä vastata autonvalmistajien, ilmailu- ja avaruusteollisuuden energiatarpeisiin. Yksi vaihtoehto olisi litium-ilma-akut (LAB). Happi olisi edullinen akkujen varastointimateriaali, koska sitä ei tarvitse kuljettaa mukana.

Nykyisten litium-ilma-akkujen pahimmat haittapuolet ovat niiden alhainen energiatehokkuus ja rajoitettu käyttöjaksoikä, koska maapallolla ei ole runsaita katodikatalyyttejä jotka voisivat ajaa sekä hapen pelkistys- että evoluutioreaktioita (ORR ja OER) suurilla nopeuksilla ja termodynaamisilla potentiaaleilla.

Litium-ilma -kennojen energia varastoidaan kovalenttisten sidosten muodossa eikä LIB:ssä tapahtuvan interkalation kautta ja niiden varauksen ja purun kemiaa säätelevät kaksi katalyyttistä reaktiota: OER ja ORR.

Näiden reaktioiden yhdistämisen vaikutus on paljon suurempi energiakapasiteetti kuin litiumionitekniikassa mutta niiden käytännön soveltamista haittaa kuitenkin heikko syklisyys ja huono energiatehokkuus.

Illinoisin teknillisen instituutin vetämä tutkimusryhmä on kehittänyt kineettisesti vakaat oksidikerrokselliset Mo3P-nanohiukkaset, jotka mahdollistavat litiumilma-akut, joilla on matala ylipotentiaali ja pitkä käyttöjaksoikä

Tuloksena oleva akku toimii ympäröivässä ilmastossa hyvällä energiatehokkuudella (90,2%) ensimmäisen syklin aikana, energian tiheyden ollessa noin 1500 Wh/kg eli noin 8 kertaa parempi kuin huipputason litiumioniakuilla. Lisäksi saavutettiin pitkä 1200 täyden lataus/purkausjaksojen käyttöikä.

Aiheista aiemmin:

Superkondensaattori heterorakenteisella elektrodilla

Litiumakuille pidempiä ajomatkoja?