Uusi näkemys moniarvoisten akkujen suunnitteluun

Argonnen Labin tutkijat ovat löytäneet kiehtovan "yhteistyökäyttäytymisen", jota esiintyy monimutkaisten komponenttien seoksissa sinkki-ioniakuissa, joita kehitetään vaihtoehtona litiumioniakuille.

Ryhmä havaitsi, että kahden erityyppisen anionin yhdistäminen kationeihin voi parantaa merkittävästi akun yleistä suorituskykyä. Tämä viittaa siihen, että ioniseosten huolellinen valinta voi antaa akkukehittäjille mahdollisuuden räätälöidä rakenteet tarkasti haluttujen suorituskykyominaisuuksien tuottamiseksi.

Tutkimus keskittyi seuraavan sukupolven akkutyyppiin, jota kutsutaan moniarvoiseksi akuksi. Monet tutkijat näkevät moniarvoiset akut mahdollisena tulevaisuuden vaihtoehtona.

Nämä potentiaalisesti peliä muuttavat tekniikat käyttävät kationeja, kuten sinkkiä, magnesiumia ja kalsiumia, joiden varaus on +2 litiumionien +1 sijaan. Siirtämällä enemmän varausta, moniarvoiset akut voivat varastoida ja vapauttaa enemmän energiaa. Tämä tekee niistä houkuttelevia ehdokkaita korvaamaan olemassa olevat litiumioniakkuteknologiat sähköajoneuvoissa ja jakeluverkoissa.

Nykyään useimmat tutkijoiden kehittämät moniarvoiset akut eivät toimi hyvin, mikä rajoittaa niiden kaupallista elinkelpoisuutta. Ionit ja elektrodit ovat yleensä epävakaita ja heikkenevät. Tämän seurauksena elektrolyytit eivät pysty kuljettamaan kationeja tehokkaasti, mikä heikentää akun kykyä varastoida ja tuottaa sähköä.

Tutkijoiden on tiedettävä, mikä aiheuttaa heikkenemisen ja tehottomuuden. Tämä vaatii paljon syvempää ymmärrystä siitä, kuinka kationit ovat vuorovaikutuksessa muiden elektrolyytissä olevien ionien, atomien ja molekyylien kanssa. Tämän tietämyksen hankkiminen on erityisen tärkeää, kun tutkitaan kationi- ja anioniseosten monimutkaisia elektrolyyttejä.

Ryhmä suunnitteli laboratoriomittakaavan akkujärjestelmän, joka koostui elektrolyytistä ja sinkkianodista. Elektrolyytti sisälsi alun perin sinkkikationeja ja TFSI-anionin, jolla oli erittäin heikko vetovoima kationeihin. Sitten elektrolyyttiin lisättiin kloridianioneita. TFSI:hen verrattuna kloridilla on paljon voimakkaampi vetovoima sinkkikationeja kohtaan.

Tutkijat selvittivät näiden ionien välisiä vuorovaikutuksia ja rakenteita käyttämällä kolmea toisiaan täydentävää huipputekniikkaa: Röntgenabsorptiospektroskopiaa, Raman-spektroskopiaa ja tiheysfunktionaalista teoriaa.

Kiehtova näkökohta tutkimuksen päätelmissä on yhteistyö, joka tapahtui erityyppisten ionien välillä elektrolyytissä. Argonnen tutkijat uskovat, että heikosti houkuttelevien anionien läsnäolo vähensi sinkkimetallin liuoksesta irrottamiseen tarvittavan energian määrää. Samaan aikaan voimakkaasti houkuttelevien anionien läsnäolo vähensi energian määrää, joka tarvitaan sinkin saattamiseksi takaisin liuokseen. Kaiken kaikkiaan tarvittiin vähemmän energiaa ajamaan tätä edestakaista prosessia ja mahdollistamaan jatkuva elektronien kulku.

Tieteilijöiden muista uusimpia akkureseptejä löytyy myös uusimmasta Tulevaisuuden akkutekniikoita ja katsauksia koosteartikkeista.

Aiheesta aiemmin:

Akkuja ilman kriittisiä raaka-aineita

Atomistisia perusteita akuille

Alumiinianodi tarjoaa kestävän vaihtoehdon

Epätavalliset ratkaisut tehostavat magnesiumakkuja