Tehdä sähköä metallista ja ilmasta

Metalli-ilma akut ovat kiihkeän tutkimuksen kohteena tulevaisuuden akkutekniikaksi. Niillä olisi saavutettavissa nykyakkuja parempi kapasiteetti mutta niiden polttokennomainen toimintatapa vaatii uudenlaista toimintatapaa.

Puhtaan hapen ja metallin kanssa on jo saavutettu tuloksia mutta normaali ympäristöilma onkin vaikeampi rasti.

Pohangin tiede- ja teknologiayliopiston (POSTECH) materiaalitieteen ja tekniikan laitoksen professori Byoungwoo Kangin ja tohtori Heetaek Parkin johtama tutkimusryhmä onnistuneesti kehittänyt korkean energian, erittäin tehokkaan täysin kiinteän tilan natrium-ilma -akun. Tämä akku voi käyttää palautuvasti natriumia (Na) ja ilmaa ilman erikoislaitteita.

Seuraavan sukupolven suuren kapasiteetin metalli-ilma akut saavat virtaa runsaista luonnonvaroista, kuten hapesta ja maapallolta löytyvistä metalleista.

Haasteena on kuitenkin karbonaatin muodostuminen – metallin ja hapen reaktion sivutuote, silloin kun siihen liittyy ilmakehän hiilidioksidia (CO2) ja vesihöyryä (H2O) – mikä uhraa akun tehokkuuden.

Tämän ratkaisemiseksi metalli-ilma-akut vaativat tyypillisesti lisälaitteita, kuten hapen läpäisykalvon, joko puhdistamaan happea tai käyttämään valikoivasti ilmakehän happea.

Tässä tutkimuksessa ryhmä käytti Nasiconia, joka on Na-superioninen johde ja kiinteää elektrolyyttiä, karbonaattiongelman tehokkaaseen ratkaisemiseen.

Nasicon, joka sisältää natriumia, piitä ja zirkoniumia, toimii kiinteänä elektrolyyttinä, jossa ionit pystyvät liikkumaan kiinteässä tilassa samalla kun se osoittaa korkeaa sähkökemiallista ja kemiallista vakautta.

Hyödyntämällä tätä kiinteää elektrolyyttiä ryhmä suojasi natriummetallielektrodeja ilmalta ja helpotti sähkökemiallisten kennojen toiminnan aikana muodostuneen karbonaatin hajoamista.

Näin ollen palautuva sähkökemiallinen reaktio, johon osallistui karbonaattia, johti kennon energiatiheyden kasvuun nostamalla työjännitettä samalla kun se pienensi merkittävästi jännite-eroa latauksen ja purkamisen aikana, mikä parantaa energiatehokkuutta.

Lisäksi ryhmän täysin kiinteässä olomuodossa oleva natrium-ilmakenno osoitti ylivoimaista kineettistä kykyä kohteessa muodostetun katolyytin ansiosta, jolla on nopea natriumionien johtuminen elektrodin sisälle.

Huomionarvoista on, että kenno toimi yksinomaan metallilla ja ilmalla ilman ylimääräistä hapensuodatuslaitetta.

Aiheesta aiemmin:

Kiinnostavat ilma-akut

Uutta tietoa metalli-happi akkujen reaktioista