Sellulla ja kuparilla parempia ja turvallisempia akkuja

Brownin ja Marylandin yliopistojen yhteinen tutkimusryhmä on kehittänyt uuden materiaalin käytettäväksi kiintoaineisissa akuissa.

Nature-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa tiimi esittelee kiinteän ionijohtimen, jossa yhdistyy kupari nanoselluloosan fibrilleihin - puusta johdettuihin polymeeriputkiin.

Näin tehdyn paperin ohuen materiaalin ionijohtavuus on 10 - 100 kertaa parempi kuin muiden polymeeristen ionijohteiden, hehkuttavat tutkijat. Sitä voitaisiin käyttää joko kiinteänä akkuelektrolyyttinä tai ionijohtavana sideaineena täysin kiinteäaineisen akun katodilla.

"Yhdistämällä kuparia yksiulotteisiin selluloosananofibrilleihin osoitimme, että normaalisti ionieristävä selluloosa tarjoaa nopeamman litiumionien kuljetuskyvyn polymeeriketjuissa", sanoo Marylandin Liangbing Hu. "Itse asiassa huomasimme, että tämä ionijohdin saavutti ennätyksellisen korkean ionijohtavuuden kaikkien kiinteiden polymeerielektrolyyttien joukossa."

Toisin kuin nestemäisissä elektrolyyteissä kiinteät elektrolyytit voivat estää dendriittien tunkeutumisen ja ne voidaan valmistaa palamattomista materiaaleista. Suurin osa tähän mennessä tutkituista kiinteistä elektrolyyteistä ovat keraamisia materiaaleja, jotka johtavat erinomaisesti ioneja, mutta ovat myös paksuja, jäykkiä ja hauraita. Jännitykset valmistuksen sekä varauksen ja purkamisen aikana voivat aiheuttaa halkeamia ja katkoksia.

Tässä tutkimuksessa käytetty materiaali on kuitenkin ohutta ja joustavaa, melkein kuin paperiarkki. Ja sen ionijohtavuus on verrattavissa keramiikkaan.

Mikroskooppinen mallinnustutkimus paljasti, että kupari tuo lisää tilaa selluloosapolymeeriketjujen välille, jotka tavallisesti esiintyvät tiiviisti pakattuina nippuina.

"Litiumionit liikkuvat tässä orgaanisessa kiinteässä elektrolyytissä mekanismien avulla, joita tyypillisesti löytyy epäorgaanisesta keramiikasta, mahdollistaen näin ennätyksellisen korkean ionijohtavuuden", sanoo Brownin professori Yue Qi. "Lisäksi luonnon tarjoamien materiaalien käyttö vähentää akkuvalmistuksen kokonaisvaikutusta ympäristöön."

Kiinteänä elektrolyyttinä toimimisen lisäksi uusi materiaali voi toimia myös katodin sideaineena kiintoaineisille akuille. Anodien kapasiteettiin vastatakseen katodien on oltava huomattavasti paksumpia. Tämä voi kuitenkin heikentää ioninjohtavuutta ja vähentää tehokkuutta. Jotta paksummat katodit toimisivat, ne on suljettava ionijohtavaan sideaineeseen. Käyttämällä uutta materiaalia sideaineena ryhmä osoitti, mitä he uskovat sen olevan yksi paksuimmista toiminnallisista katodeista, joita koskaan on raportoitu.

Tutkijat ovat toiveikkaita, että uusi materiaali voisi olla askel kohti saada kiintoaineinen akkuteknologia massamarkkinoille.

Aiheesta aiemmin:

Mikroaaltovahvistin joustavalle puukalvolle

Nanoselluloosa sähköistyy