Uusia materiaaleja akuille ja lämpösähköisille

Duken yliopiston vetämä tutkijaryhmä ovat paljastanut atomisia mekanismeja, jotka tekevät argyroditeiksi kutsuttujen yhdisteiden luokasta houkuttelevia ehdokkaita sekä solid-state-akkujen elektrolyytteihin että lämpösähköisiin energiamuuntimiin.

Löydöt – ja niiden tekemiseen käytetty koneoppimisen lähestymistapa – voivat auttaa käynnistämään energian varastoinnin uuden aikakauden sovelluksille, kuten kotitalouksien akkuseinille ja nopeasti latautuville sähköajoneuvoille.

Vaikka kukaan ei ole vielä löytänyt kaupallisesti kannattavaa lähestymistapaa kiintoaineisiin akkuihin, yksi johtavista kilpailijoista luottaa luokkaan yhdisteitä, joita kutsutaan argyroditeiksi ja jotka on nimetty hopeaa sisältävän mineraalin mukaan.

Nämä yhdisteet on rakennettu erityisistä, vakaista kiteisistä kehyksistä, jotka on valmistettu kahdesta elementistä, joista kolmas voi liikkua vapaasti kemiallisen rakenteen ympäri.

Uudessa tutkimuspaperissa Olivier Delaire ja hänen kollegansa tarkastelevat yhtä lupaavaa ehdokasta, joka on valmistettu hopeasta, tinasta ja seleenistä (Ag8SnSe6).

Tulokset osoittivat, että vaikka tina- ja seleeniatomit loivat suhteellisen vakaan kehyksen, se oli kaukana staattisesta. Kiteinen rakenne joustaa jatkuvasti luodakseen ikkunoita ja kanavia varautuneiden hopea-ionien liikkumiseen vapaasti materiaalin läpi.

"Järjestelmä, Delaire sanoi, on kuin tina- ja seleenihilat pysyvät kiinteinä, kun taas hopea on melkein nestemäisessä tilassa. Tämä nestemäisen ja kiinteän olomuodon välillä elävän materiaalin kaksinaisuus on mielestäni yllättävin."

"Monet näistä materiaaleista tarjoavat erittäin nopean johtavuuden akuille samalla kun ne ovat hyviä lämmöneristeitä lämpösähköisille muuntimille, joten tarkastelemme järjestelmällisesti koko yhdisteperhettä", Delaire sanoo yliopistonsa tiedotteessa.

Tohoku yliopiston tutkimusryhmä on sen sijaan kehittänyt prototyypin kalsiummetallisesta (Ca) akkusta, joka pystyy 500 jakson toistuvaan lataus-purkaus.

Yksi Litium-akkujen mahdollinen korvaaja on kalsium-metalliakut. Maankuoren viidenneksi yleisimpänä alkuaineena kalsiumia on laajalti saatavilla ja se on edullinen ja sillä on suurempi energiatiheyspotentiaali kuin LIB:illä.

Sen ominaisuuksien uskotaan myös nopeuttavan ionien kuljetusta ja diffuusiota elektrolyyteissä ja katodimateriaaleissa, mikä antaa sille etulyöntiaseman muihin LIB-vaihtoehtoihin, kuten magnesiumiin ja sinkkiin, nähden.

Mutta tehokkaan elektrolyytin ja riittävän Ca2+ -varastointikyvyn omaavien katodimateriaalien puuttuminen ovat osoittautuneet suurimmiksi kompastuskiviksi.

"Uusimmassa tutkimuksessamme testasimme Ca-metalliakun pitkäaikaista toimintaa kuparisulfidin (CuS) nanopartikkeli/hiilikomposiittikatodin ja hydridipohjaisen elektrolyytin kanssa", kertoo Kazuaki Kisu, apulaisprofessori Tohokun yliopiston materiaali-instituutista. (IMR).

CuS:n kerrosrakenne mahdollistaa sen varastoida erilaisia kationeja, kuten litiumia, natriumia ja magnesiumia. Sen teoreettinen kapasiteetti on suuri, 560 mAh g-1 - kaksi tai kolme kertaa suurempi kuin nykyiset litiumioniakkujen katodimateriaalit.

Aiheesta aiemmin:

Neljän elektronin litium-ilma akku

Uusi elektrolyytti kiinteärakenteisille litiumioniakuille

Kahden ionin akut lähemmäksi todellisuutta