Tutkijat etsivät elektrodeista riippumatonta elektrolyyttiä

Wisconsin-Madisonin yliopiston insinööritiimi on kehittänyt uutta, monipuolista elektrolyyttiä ja ottanut siten seuraavan askeleen kohti tehokkaampaa ja energiatiheämpää akkua, joka voisi korvata nykyiset kaikkialla läsnä olevat litiumioniakut.

Tämä uusi akkutyyppi – aluksi anoditon natriumioniakku – on johtava ehdokas tulevaisuuden sähköajoneuvojen käyttövoimaksi tai energian varastoimiseksi sähköverkkoon.

Tiimi käyttää uutta elektrolyyttiä myös mallijärjestelmänä ymmärtääkseen, miten elektrolyytin molekyylejä voidaan manipuloida siten, että väliaine on yhteensopiva erilaisten akkukomponenttien kanssa.

UW-Madisonin apulaisprofessorin Fang Liun ja tohtoriopiskelijoiden Qianli Xingin ja Ziqi Yangin johtama tutkimusryhmä julkaisi edistysaskeleen yksityiskohtia tutkimusartikkelissaan.

Tyypillisesti akut koostuvat kahdesta elektrodista, anodista ja katodista sekä nestemäisestä elektrolyytistä. Tässä tapauksessa akun "aluksi anoditon" ominaisuus tarkoittaa, että sen fyysinen anodi muodostuu sisäisesti akun ensimmäisen latauksen yhteydessä, mikä tekee siitä yksinkertaisemman, halvemman ja energiatiheämmän.

Elektrolyytti sisältää liuottimia ja liuenneita suoloja. Nestemäisenä väliaineena se koskettaa kaikkia akun kennojen osia ja lataus- tai purkausprosessissaan auttaen ioneja kulkemaan elektrodien välillä.

Akussa anodi ja katodi ovat eri materiaaleja. Yksi seuraavan sukupolven akkujen kehittämisen haasteista on, ettei ole olemassa yhtä kaikille sopivaa elektrolyyttiä, joka toimisi tehokkaasti molempien elektrodimateriaalien kanssa. Toisaalta, kun elektrolyytti sisältää useita liuotinmolekyylejä, niiden vuorovaikutusten ja käyttäytymisen hallinta on haastavaa.

Elektrolyytin hienosäätö on tasapainottelua, johon liittyy useita tekijöitä, mukaan lukien se, miten elektrolyytin liuotinmolekyylit muodostavat ionien ympärille "kuoren", joka voi kiihdyttää tai estää ionien liikkumista anodin ja katodin välillä. "Tämän mallijärjestelmän avulla yritämme pohjimmiltaan ymmärtää, voimmeko esitellä eri molekyylejä eri elektrodipinnoille – esimerkiksi anodille stabiilin liuottimen anodille ja sitten katodistabiilin liuottimen katodille", Liu sanoo. "Tällä tavoin elektrolyyttiseos käyttäytyisi ihanteellisesti anodille stabiilin liuottimen tavoin ja katodille stabiilin liuottimen tavoin."

Merkittävää on, että he löysivät tavan järkeistää elektrolyyttisuunnittelua: Liuottimet, jotka hallitsevat elektrodien välillä kulkevien positiivisesti varautuneiden ionien ympärillä olevaa ensimmäistä kuorta, ovat avainasemassa anodin vakauden kannalta, kun taas "vapaat" tai heikommin sitoutuneet liuottimet ovat tärkeitä katodipuolen vakauden kannalta.

Tutkimus luo pohjan seuraaville askeleille, joilla kehitetään paitsi natriummetalliakkuja, myös muita uusia vaihtoehtoja litiumioniakuille. "Tämän tutkimuksen myötä alamme ymmärtää, että liuottimen ja anionin vuorovaikutuksista tulee todella tärkeitä", Liu sanoo. "Yritämme laajentaa liuotinkirjastoamme manipuloidaksemme tällaisia vuorovaikutuksia ja nähdäksemme, voidaanko tällaista toimintaperiaatetta soveltaa laajempiin liuotinkirjastoihin ja erilaisiin akkukemioihin."

Aiheesta aiemmin:

Läpimurto nopeasti latautuvissa natriumakuissa

Kohti anoditonta kiintoaineakkua

Natriumakku ilman anodia