Tutkimus tasoittaa tietä paremmille metalliakuille

Tutkimus ei ainoastaan kuvaa uutta tapaa tehdä kiintoaineakkuja litiummetallisella anodilla, vaan tarjoaa myös uutta ymmärrystä näissä mahdollisesti vallankumouksellisissa akuissa käytetyistä materiaaleista.

"Litiummetallianodiakkuja pidetään akkujen pyhänä Graalin maljana, koska niiden kapasiteetti on kymmenkertainen kaupallisiin grafiittianodiin verrattuna", sanoo, SEASin materiaalitieteen apulaisprofessori Xin Li. "Tutkimuksemme on tärkeä askel kohti käytännöllisempiä kiintoaine akkuja teollisiin ja kaupallisiin sovelluksiin."

Yksi suurimmista haasteista näiden akkujen suunnittelussa on dendriittien muodostuminen anodin pinnalle. Jo vuonna 2021 Li ja hänen tiiminsä tarjosivat yhden tavan hillitä dendriittejä suunnittelemalla monikerroksisen akun, joissa anodin ja katodin välille kerrostettiin eri materiaaleja joilla on vaihteleva vakaus.

Tässä uudessa tutkimuksessa Li ja hänen tiiminsä estävät dendriittien muodostumisen käyttämällä anodissa mikronin kokoisia piihiukkasia supistaakseen litiaatioreaktiota ja helpottaakseen paksun litiummetallikerroksen homogeenista pinnoitusta. Tässä ratkaisussa litiumionien siirtyessä katodilta anodille latauksen aikana litiumreaktio rajoittuu niin, että ionit kiinnittyvät piihiukkasen pintaan, mutta eivät tunkeudu pidemmälle.

Täten päällystetyillä hiukkasilla on homogeenisen pinta, jonka poikki virrantiheys jakautuu tasaisesti, mikä estää dendriittien kasvua. Ja koska pinnoitus ja kuoriutuminen voivat tapahtua nopeasti tasaisella alustalla, akku latautuu vain noin 10 minuutissa.

Li ja hänen tiiminsä luonnehtivat myös ominaisuuksia, jotka mahdollistavat piin rajoittaa litiumin diffuusiota helpottaakseen dynaamista prosessia, joka suosii paksun litiumin homogeenista pinnoitusta. Sitten he määrittelivät ainutlaatuisen ominaisuuskuvaajan kuvaamaan tällaista prosessia ja laskivat sen kaikille tunnetuille epäorgaanisille materiaaleille. Näin tehdessään tiimi paljasti kymmeniä muita materiaaleja, jotka voisivat mahdollisesti tuottaa samanlaisen suorituskyvyn.

"Aiemmat tutkimukset olivat osoittaneet, että muut materiaalit, mukaan lukien hopea, voisivat toimia hyvinä materiaaleina kiintoaineakkujen anodissa", Li kertoo. "Tutkimuksemme selittää yhden mahdollisen prosessin taustalla olevan mekanismin ja tarjoaa tavan tunnistaa uusia materiaaleja akun suunnitteluun."

Aiheesta aiemmin:

Vetyä ja polymeeriä akkuihin

Hiilikuitupaperia akkuihin

Harppauksia piianodien käyttöönotossa