Ultranopea akkujen lataus uudella anodimateriaalilla

Twenten yliopiston tutkijoiden mukaan käyttämällä litiumioniakkujen anodina täysin uutta materiaalia, nikkeliniobaattia, latausnopeutta voidaan parantaa kymmenkertaiseksi.

Nikkeliniobaatilla (NiNb2O6) näyttää olevan erittäin houkuttelevia ominaisuuksia ja jopa monien ultranopeiden lataussyklien jälkeen se palaa alkuperäiselle tasolle. Tämä johtuu ensisijaisesti sen houkuttelevasta "avoimesta" ja säännöllisestä kiderakenteesta, mikä johtaa identtisiin varauksensiirtokanaviin.

Avoin rakenne tarkoittaa, että se toimii paremmin kuin tavallinen anodimateriaali grafiitti. Myös grafiitti on "avointa" materiaalia ja se on yksinkertaista mutta muutaman nopean latausjakson jälkeen se ei palaa alkuperäiselle tasolle tai se jopa hajoaa.

Vaihtoehtoja etsittäessä myös Twenten yliopistossa uudentyyppiset nanorakenteiset materiaalit olivat yksi tutkimusvaihtoehto: haittana voi kuitenkin olla se, että kanavat on järjestetty satunnaisemmin. Tämä voi jopa aiheuttaa litiumin kerääntymistä anodimateriaaliin, mikä heikentää suorituskykyä jokaisen jakson jälkeen. Lisäksi näiden materiaalien valmistus on monimutkaista. Nikkeliniobaatin valmistamiseen ei tarvita puhdastilaa.

Tutkijat testasivat ensimmäisiä täysiä akkuja uudella anodimateriaalilla, myös erilaisille olemassa oleville katodimateriaaleille. He päättelevät, että tämä versio olisi ihanteellinen liitettäväksi energiaverkkoon, sähkökäyttöisiin koneisiin, jotka vaativat nopeaa latausta ja purkamista tai sähkökäyttöisissä raskaassa liikenteessä. Uusi anodi soveltuu myös litiumin korvaamiseen esimerkiksi natriumilla, tutkimusjohtaja, professori Mark Huijben sanoo.

Uudenlaiset täysin kiinteäaineiset akut ovat laajan kiinnostuksen kohteen mutta niilläkin on haittapuolensa: sähkökemiallisten vuorovaikutusten vuoksi niihin voi muodostua sisäistä impedanssia, mikä rajoittaa sähkövirran kulkua.

National Institute of Standards and Technologyn (NIST) tutkijat ja heidän kollegansa ovat nyt paikantaneet paikan, jossa suurin osa sen kerääntymisestä tapahtuu. Aiemmat tutkimukset ovat mittailleet vain keskimääräisen impedanssin koko akun yli.

Nyt tutkimustiimi käytti kahta toisiaan täydentävää menetelmää tutkiakseen impedanssia nanomittakaavassa solid-state-litiumioniakun sisällä. 

Kaiken kaikkiaan Kelvin-anturin voimamikroskopian ja neutronien syvyysprofilointitekniikoiden tulokset osoittivat yksiselitteisesti, että suurin osa impedanssista syntyy elektrolyytin ja anodin rajapinnassa.

Analysoidessaan löytöjään tutkijat päättelivät, että rajapinnassa havaittua impedanssia voitaisiin vähentää merkittävästi, jos anodin ja elektrolyytin väliin lisättäisiin kerros muuta materiaalia, joka estäisi elektrolyytin ja anodin vuorovaikutuksen suoraan toistensa kanssa. "Haluamme suunnitella rajapinnat niin, että niillä on korkea ionien ja elektronien johtavuus", Strelcov sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Alumiinianodi tarjoaa kestävän vaihtoehdon

Uusi nanorakenteinen yhdiste anodille

Seuraavan sukupolven litiumakkuja