Uusi näkemys akkumateriaalin roolista

Kuva Li-CO2-akusta, jossa Li2MnO3 on tehokkaana katalyyttinä.

Suurempi kuva

Berkeley Labissa työskentelevä kansainvälinen ryhmä käytti erityisiä röntgenmittauksia tutkiakseen uusia asioita litiumrikkaista akkumateriaaleista.

Tutkijat keskittyivät litiummangaanioksidi (Li 2MnO3) - materiaaliin, joka on äärimmäinen esimerkki ns. litiumrikkaista materiaaleista, joka sisältää suurimman mahdollisen määrän litiumia tässä materiaaliperheessä.

Äskettäin akkuyhteisössä kehitetty opinkappale on, että runsaasti litiumia sisältävistä materiaaleista koostuvat akkuelektrodit voivat tarjota suurjännitteistä ja suuritehoista toimintaa, koska materiaalin happi osallistuu palautuviin kemiallisiin redoksireaktioihin, joissa happiatomit jaksollisesti menettävät ja saavat elektroneja, mikä auttaa akun kapasiteettia varastoimaan ja käyttämään sähkövarausta.

Tämä työ osoitti kuitenkin, että palautuvat reaktiot eivät itse asiassa sisällä happea Li2MnO3:ssa akun käytön aikana ollenkaan. Sen sijaan materiaalin toisen elementin mangaanin analyysi paljasti syyn siihen, että materiaalia voidaan jaksottaa, johtuu epätavallisesta ja täydellisestä siirtymisestä mangaanipohjaisiin reaktioihin, joiden kapasiteetti on suhteellisen pieni, heti ensimmäisen latauksen jälkeen.

Löytö avaa tietä suurenergisten elektrodimateriaalien tutkimukselle litiumpitoisen perheen ulkopuolella. Samalla tutkijat löysivät materiaalille käsitteellisesti erilaisen käytön katalysaattorina.

Lisäksi tutkimusryhmä oli erityisen yllättynyt havaitessaan karbonaattiyhdisteiden "osittain palautuvan" muodostumisen ja häviämisen materiaalin pinnalla. Nämä erittäin reaktiiviset pintaominaisuudet viittaavat siihen, että materiaali voi toimia katalysaattorina ja voisi helpottaa eksoottisten seuraavan sukupolven akkujen, kuten litium-ilma- ja litium-hiilidioksidiakkujen, edellyttämiä palautuvia kemiallisia reaktioita.

Li2MnO3:n pinnalla havaitut karbonaattiyhdisteet sisältävät happiatomeihin sitoutunutta hiiltä, mikä tarkoittaa, että runsaasti litiumia sisältävät materiaalit voivat olla tehokkaita katalysaattoreita reaktioissa, joihin liittyy hiilidioksidikaasua.

Jotkut havainnot osoittivat, että tämä materiaali on todella sopivampi katalysaattoriksi erittäin reaktiivisen pintansa ansiosta. Kun sitä testattiin katalysaattorina, havaittiin että sillä on todellakin erinomainen suorituskyky litium-hiilidioksidilla ja litium-ilma-akuilla.

Tulokset avaavat myös oven koko rikkaalle alkalipitoisten materiaalien luokalle käytettäväksi katalysaattoreina muissa sovelluksissa, kuten polttokennoissa.

Tutkimuksen avain oli erikoistunut sädekehä ALS:ssä, joka pystyy olennaisesti hajottamaan kemialliset reaktiot yksi elementti kerrallaan saadakseen selville, mitkä ovat tai eivät ole mukana reaktioissa. ALS on synkrotroni, joka voi tuottaa valoa eri aallonpituuksilla infrapunasta röntgensäteisiin.

Aiheesta aiemmin

Hiilidioksidia hotkiva akku

Uusi suunnitelma litiumilma-akusta

Happihyppelyä Li-Ion akuille