Täydellisen epätäydellinen: Materiaalien epäjärjestys ja nopea akkulataus

Humboldt-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet epätavallisen strategian akun suorituskyvyn parantamiseksi

Berliinin Humboldt-yliopiston kemian laitoksen professori Nicola Pinnan ja tohtori Patrícia Russon johdolla tutkijat ovat onnistuneet sotkemaan akkujen atomijärjestystä kohdennetusti. Tuloksena ovat erittäin suorituskykyiset anodit litium- ja natriumioniakuille, joilla on poikkeuksellisen korkea latausnopeus ja -vakaus – ratkaiseva askel kohti turvallisempia ja pitkäikäisempiä energian varastointijärjestelmiä.

Perinteiset akkumateriaalit perustuvat erittäin järjestäytyneisiin kiderakenteisiin, jotka tarjoavat ennustettavia reittejä ionien kulkeutumiselle. Tällainen täydellisyys tulee kuitenkin usein rakenteellisen jäykkyyden, rajoitetun ionien liikkuvuuden ja heikon suorituskyvyn hinnalla suurilla latausnopeuksilla.

Kahdessa julkaistussa tutkimuksessa tutkijat onnistuivat kääntämään paradigman päälaelleen: heidän tutkimuksensa osoittaa, että kohdennettu epäjärjestys – ei järjestys – voi parantaa ionijohtavuutta, lisätä syklin vakautta ja avata uusia akkujen varastointimekanismeja.

Siirtymällä pois perinteisistä suunnittelusäännöistä tiimin lähestymistapa voisi määritellä uudelleen materiaalisuunnittelustrategiat koko alalla. "Tuloksemme osoittavat, että kohdennettu epätäydellisyys voi olla tehokas työkalu materiaalisuunnittelussa", sanoo professori Nicola Pinna.

Tohtori Patrícia Russo lisäsi: "Rikkomalla tarkoituksella atomien järjestystä avaamme täysin uusia mahdollisuuksia tehokkaammille, pidempikestoisemmille ja siten kestävämmille korkean suorituskyvyn akuille".

Tiimi on kehittänyt uusia materiaaleja tehokkaammille ja pitkäikäisemmille akuille käyttämällä niobium-volframioksidien rakenteellista epäjärjestystä ja rautaniobaatin hallittua amorfisaatiota – tämä kuvaa materiaalin siirtymistä epäjärjestyneeseen tilaan.

Litiumioniakuille on kehitetty erityisen kestävä materiaali: Jopa 1 000 latausjakson jälkeen suuri osa alkuperäisestä suorituskyvystä säilyy.

Natriumioniakuille on kehitetty myös uudentyyppinen materiaali, joka on ympäristöystävällisempi vaihtoehto. Se muuttuu merkittävästi ensimmäisen latauksen yhteydessä, mutta säilyttää tärkeät rakenteet. Tämä johtaa erittäin korkeaan varastointikapasiteettiin ja pitkään käyttöikään, yli 2 600 latausjaksoa lähes samalla suorituskyvyllä.

Epäjärjestäytyneiden litium-anodien ja amorfisten natrium-anodien yhdistelmä avaa uusia näkökulmia erittäin nopeasti latautuville sähköajoneuvoille, uusiutuvan energian kiinteille varastointiratkaisuille ja turvallisille vaihtoehdoille aiemmille akkuteknologioille.

Tutkimukset korostavat atomitason suunnitteluperiaatteiden potentiaalia ratkaista globaaleja energiaongelmia.

Aiheesta aiemmin:

Tehokkaampia akkuelektrodeja

Kohti anoditonta kiintoaineakkua

Atomistisia perusteita akuille