Tehokkaampia akkuelektrodeja

Samalla kun kysyntä kasvaa huippunopeaan lataukseen ja korkeaan energiatiheyteen eri aloilla sähköajoneuvoista suuriin energian varastointijärjestelmiin, POSTECHin (Pohang University of Science and Technology) ja Korean energiatutkimusinstituutin (KIER) yhteinen tutkimusryhmä on kehittänyt lupaavan seuraavan sukupolven anodimateriaalin, joka voi vastata näihin kriittisiin tarpeisiin.

Vaikka grafiitti, yleisin anodimateriaali litiumioniakuissa (LIB), tarjoaa vankan rakenteellisen vakauden, sitä rajoittaa sen alhainen teoreettinen kapasiteetti ja hidas lataus-/purkausnopeus. Näiden rajoitusten voittamiseksi tutkijat ovat ehdottaneet uutta elektrodisuunnittelua, jossa yhdistetään tinaa kovaan hiileen (Sn).

Kehitetyssä elektrodissa on tasaisesti jakautuneita tinan nanohiukkasia vankan kovan hiilimatriisin sisällä, mikä vähentää tehokkaasti tilavuuden laajenemista ja parantaa rakenteellista vakautta.

Tuloksena oleva komposiittirakenne edustaa toiminnallista synergiaa yksinkertaisen fyysisen sekoittamisen lisäksi. Tinan nanohiukkaset eivät toimi vain aktiivisina materiaaleina, vaan toimivat myös katalyytteinä, jotka edistävät ympäröivän kovan hiilen kiteytymistä. Sähkökemiallisen syklin aikana palautuva Sn-O-sidosten muodostuminen edistää akun kapasiteetin lisäämistä konversioreaktioiden kautta.

Suunniteltu elektrodi on osoittanut erinomaista suorituskykyä litiumionikennoissa, säilyttäen vakaan toiminnan 1 500 syklin ajan 20 minuutin pikalatausolosuhteissa ja saavuttanut 1,5 kertaa korkeamman volyymienergiatiheyden verrattuna perinteisiin grafiittianodeihin.

Huomattavaa on, että elektrodi toimii erinomaisesti myös natrium-ioni-akuissa (SIB). Natriumioneilla on yleensä huono reaktiivisuus tavanomaisten anodimateriaalien, kuten grafiitin tai piin, kanssa. Kova hiili-tina -nanokomposiittirakenne säilyttää kuitenkin erinomaisen vakauden ja nopean kinetiikan natriumympäristöissä, mikä korostaa sen monipuolisuutta useilla akkualustoilla.

Aiemmin keväällä professori Kyu-Young Parkin johtama tutkimusryhmä POSTECHin materiaalitieteen ja tekniikan laitoksen instituutista kertoi usean toimijan kanssa tehdystä yhteistyötutkimuksesta, jossa kehittettiin teknologiaa, joka lisää dramaattisesti sähköajoneuvojen akun käyttöikää ja energiatiheyttä.

Nykytekniikan yksi iso ongelma on lataus- ja purkuprosessi, joka saa akun positiiviset aktiiviset materiaalit laajenemaan ja supistumaan toistuvasti aiheuttaen mikroskooppisia halkeamia sisällä.

Avain tässä työssä oli "nanojoustopinnoite" -tekniikka, jolla voidaan suunnitella joustavia rakenteita. Tutkimusryhmä toteutti moniseinäisen hiilinanoputken (MWCNT) akkuelektrodimateriaalien pinnalle. Tämä absorboi lataus- ja purkuprosessista syntyvää jännitysenergiaa, ehkäisee halkeamia ja minimoi elektrodien paksuuden muutokset vakauden parantamiseksi. Tiimi tukahdutti tehokkaasti akun halkeamia ja paransi samalla sen käyttöikää ja suorituskykyä.

Erityisesti tämä tekniikka voidaan helposti yhdistää olemassa oleviin akkujen valmistusprosesseihin, mikä mahdollistaa helpon massatuotannon ja kaupallistamisen.

Aiheesta aiemmin:

Alumiinianodi tarjoaa kestävän vaihtoehdon

Uusi nanorakenteinen yhdiste anodille

Kovahiilestä anodimateriaali natrium-ioni akulle