Uusi käänne akkujen suunnitteluun

Rice-yliopiston tutkijoiden sekä Baylorin yliopiston ja Intian Thiruvananthapuramin tiede- ja tutkimuslaitoksen yhteistyökumppaneiden toteuttama tutkimus on esitellyt innovatiivisen ratkaisun, joka voisi vaikuttaa sähkökemiallisiin energian varastointiteknologioihin.

Erään öljy- ja kaasuteollisuuden sivutuotteen kautta tiimi työsti ainutlaatuisen muotoisen puhtaan grafiittisen rakenteen, jossa on pieniä kartioita ja kiekkoja.

Nämä hiilivetyjen skaalautuvalla pyrolyysillä tuotetut epätavalliset muodot voisivat auttaa ratkaisemaan akkututkimuksen anodien pitkäaikaisen haasteen: miten varastoida energiaa alkuaineilla, kuten natriumilla ja kaliumilla, jotka ovat paljon halvempia ja laajemmin saatavilla kuin litium.

Natrium ja kalium ovat edullisia vaihtoehtoja litiumille mutta vaikeutena on ollut löytää hiilipohjaisia anodimateriaaleja, jotka pystyvät varastoimaan näitä suurempia ioneja tehokkaasti.”

Perinteiset litiumioniakut käyttävät grafiittia anodimateriaalina. Se ei kuitenkaan toimi natriumin tai kaliumin tapauksessa, koska niiden atomit ovat liian suuria ja vuorovaikutukset liian monimutkaisia.

Mutta tarkastelemalla hiilen muotoa uudelleen mikroskooppisella tasolla, tiimi löysi kiertotien. Kartio- ja kiekkorakenteet tarjoavat kaarevuuden ja välejä, jotka toivottavat natrium- ja kaliumionit tervetulleiksi ilman kemiallista seostusta tai muita keinotekoisia muutoksia.

”Yllätyimme nähdessämme, kuinka hyvin nämä puhtaat, kaarevat grafiittiset rakenteet toimivat”, sanoi ensimmäinen kirjoittaja Atin Pramanik. ”Vaikka heteroatomeja ei ollutkaan, ne mahdollistivat natriumionien palautuvan interkalaation ja tekivät sen minimaalisella rakenteellisella jännityksellä.”

Laboratoriotesteissä hiilikartiot ja -levyt varastoivat noin 230 milliampeerituntia latausta grammaa kohden (mAh/g) natriumionien avulla, ja ne pitivät edelleen 151 mAh/g virran jopa 2 000 pikalatausjakson jälkeen. Ne toimivat hyvin myös kaliumioniakkujen kanssa, mutta suorituskyky ei ollut aivan yhtä vahva kuin natriumiakkujen kanssa.

Kehittyneet kuvantamistekniikat vahvistivat, että ioneja tuli hiilirakenteeseen ja poistui siitä odotetulla tavalla ja että materiaali säilytti muotonsa tuhansien lataus-purkaussyklien ajan.

”Tämä on yksi ensimmäisistä selkeistä osoituksista natrium-ionien interkalaatiosta puhtaissa grafiittisissa materiaaleissa näin vakaalla tavalla”, Pramanik sanoi. ”Se kyseenalaistaa uskomuksen, että puhdas grafiitti ei voi toimia natriumin kanssa.”

Vaikka suurin osa alan tutkimuksesta on keskittynyt kovaan hiileen tai seostettuihin materiaaleihin, uusi tutkimus merkitsee strategian käännekohtaa – morfologiaa korostetaan kemiallisen modifioinnin sijaan.

”Uskomme, että tämä löytö avaa uuden suunnittelutilan akkuanodeille”, Ajayan sanoi. ”Kemian sijaan muutamme muotoa, ja se on osoittautunut aivan yhtä mielenkiintoiseksi.”

”Emme kehitä vain parempaa akkumateriaalia”, Pramanik sanoi. ”Tarjoamme todellisen polun energian varastointiin, joka on puhtaampaa, halvempaa ja laajemmin kaikkien saatavilla.”

Aiheesta aiemmin:

Tehokkaampia akkuelektrodeja

Uusi ympäristöystävällinen materiaali natrium-ioni akulle

Aerogeeleillä kestävän kehityksen akkuja