Superioninen johde ja muita akku-uutisia

Mercouri Kanatzidis, Northwestern Universityn professori ja Argonne Labin tutkija, oli etsimässä uutta epätavallisesti käyttäytyvää suprajohdetta kun hän teki odottamattoman löydön.

Kyseessä oli vain neljän atomin paksuinen materiaali, joka mahdollistaa varautuneiden hiukkasten liikkeen tutkimisen vain kahdessa ulottuvuudessa.

Kanatzidisin kohdemateriaali oli hopean, kaliumin ja seleenin (α-KAg3Se2) yhdistelmä nelikerroksisena rakenteena. Tutkijoiden pettymykseksi se ei ollut suprajohde mutta yllättäen se osoittautui olevan loistava esimerkki superionisesta johteesta.

Superionisissa johteissa kiinteässä materiaalissa olevat varautuneet ionit kulkevat melkein yhtä vapaasti kuin akkujen nestemäisissä elektrolyyteissä. Eli tällä kiinteällä aineella on epätavallisen korkea ionijohtavuus mutta lisäksi heikko lämmönjohtavuus. Nämä molemmat ominaisuudet tekevät superionisista johtimista supermateriaaleja energian varastoinnin ja muunnosten laitteisiin.

Tällaiset ominaisuudet kiinnostanevat niitä, jotka suunnittelevat uusia kaksiulotteisia kiinteitä elektrolyyttejä akuille ja polttokennoille mutta ne voivat olla hyödyllisiä uusien lämpösähköisten laitteiden suunnittelussa.

Natrium on yksi maailman runsaimmista ja edullisimmista metalleista. Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat esittävät konseptin, jonka avulla natriumioniakut saadaan vastaamaan nykypäivän litiumioniakkujen kapasiteettia.

He käyttivät uudenlaista elektrodia, jonka he pinosivat erityisesti suunnitelluista grafeenilevyistä, joiden välissä oli molekyylejä. Menettelyn avulla he saivat natriumionit sopimaan uuteen grafiittiin aiempaan nähden kymmenkertaisella kapasiteetilla eli saavuttamaan saman tason kuin grafiittiin tukeutuvat litium-ioni akut.

Kalifornian yliopiston San Diegon nanosuunnittelijat johtivat puolestaan tutkimusta yhteistyössä LG Energy Solutionin tutkijoiden kanssa uuden piianodisen kiinteärakenteisen akun kehittämisessä.

Piianodien kehittämisen litiumioniakkuihin on suurelta osin estänyt heikko rajapintojen vakaus nestemäisiä elektrolyyttejä vastaan. Nyt tutkijat mahdollistivat 99,9 prosenttisesta mikrosirupiistä koostuvan anodin vakaan toiminnan käyttämällä kiinteä sulfidielektrolyyttisen rajapinnan passivoivia ominaisuuksia.

Mikrometrisestä piistä koottiin kalvoja lietepohjaisella valmistustavalla. Kiintoaineisiin akkuihin sovellettuna ne osoittivat hyvää suorituskykyä eri lämpötiloissa ja erinomaista käyttöikää. Ensimmäiset testikierrokset osoittivat myös, että uusi akku on turvallinen, pitkäikäinen ja energiatiheä.

Monash Energy Instituten tutkijat ovat luoneet pidempään kestävän ja ympäristöystävällisemmän sekä kevyemmän kilpailijan ilma-aluksissa ja sähköajoneuvoissa tarvittaville litiumioni-akuille.

Teoriassa litium-rikki akut voivat varastoida kahdesta viiteen kertaa enemmän energiaa kuin saman painoiset litiumioniakut. Ongelmana on, että käytön aikana sen elektrodit pilaantuvat nopeasti.

Monashin tiimi on jo aiemmin hieman avannut rikkielektrodin rakennetta laajentumisen huomioon ottamiseksi ja nyt he lisäsivät siihen sokeria, jolla he stabiloivat rikin, estäen sitä liikkumasta ja peittämästä litiumelektrodia.

Tutkijat saivat inspiraationsa geokemiallisesta raportista, jossa kuvataan, kuinka sokeripohjaiset aineet vastustavat geologisten sedimenttien hajoamista muodostamalla vahvat siteet sulfideihin.

Testikennojen on jo osoitettu kestävän varaus-purkausjaksoja vähintään tuhat sykliä ja akkujen kapasiteetti on nyt paljon suurempi kuin vastaavien litiumioniakkujen.

Aiheista aiemmin:

Perusteita tehokkaammille akuille

Harppauksia piianodien käyttöönotossa

Kohti tehokasta anoditonta natriumakkua

Tavoitteena 2000 km yhdellä latauksella