Malli litiumin interkalaation nopeusista litiumioniakuissa

Litiumioniakkujen ytimessä on yksinkertainen reaktio: elektrolyyttiliuokseen liuenneet litiumionit "interkaloituvat" eli asettuvat kiinteän elektrodin sisään akun purkautumisen aikana. Kun ne irtoavat ja palaavat elektrolyyttiin, akku latautuu.

Akun tuottaman tehon määrä ja latautumisnopeus riippuvat reaktion nopeudesta. Reaktion tarkasta mekanismista tai sen nopeutta säätelevistä tekijöistä tiedetään kuitenkin vain vähän.

Uudessa tutkimuksessa MIT:n tutkijat ovat mitanneet litiumin interkalaatioasteita useissa eri akkumateriaaleissa ja käyttäneet näitä tietoja kehittääkseen uuden mallin reaktion säätelystä. Heidän mallinsa viittaa siihen, että litiumin interkalaatiota säätelee prosessi, joka tunnetaan nimellä kytketty ioni-elektronisiirto, jossa elektroni siirtyy elektrodille yhdessä litiumionin kanssa.

”Toivomme, että tämä työ mahdollistaa nopeammat ja hallitummat reaktiot, mikä voi nopeuttaa latausta ja purkamista”, sanoo Martin Bazant, kemiantekniikan ja matematiikan professori MIT:ssä.

Uusi malli voi myös auttaa tiedemiehiä ymmärtämään, miksi elektrodien ja elektrolyyttien säätäminen tietyillä tavoilla johtaa lisääntyneeseen energiaan, tehoon ja akun käyttöikään – prosessi, jota on tehty tähän asti pääasiassa kokeilemalla ja erehtymällä.

”Tämä on yksi näistä julkaisuista, joissa aloimme yhdistää havaintojamme eri materiaalien ja rajapintojen reaktionopeuksista yhdeksi elektronin ja ionin siirtymisen kytkeytyneen interkalaation teoriaksi, rakentaen aiempaa reaktionopeuksia koskevaa työtä”, sanoo professori Yang Shao-Horn.

Nyt tutkituilla materiaaleilla mitatut interkalaationopeudet ovat paljon aiemmin raportoitua alhaisempia, eivätkä ne vastaa perinteisen mallin ennusteita.

Tutkijat käyttivät kerättyä dataa keksiäkseen vaihtoehtoisen teorian siitä, miten litiumin interkalaatio tapahtuu elektrodin pinnalla. Tämä teoria perustuu oletukseen, että jotta litiumioni pääsee elektrodiin, elektrolyyttiliuoksesta on samanaikaisesti siirrettävä elektroni elektrodille.

”Sähkökemiallinen vaihe ei ole litiumin lisäys, mikä saattaisi luulla olevan pääasia, vaan se on itse asiassa elektroninsiirto litiumia sisältävän kiinteän aineen pelkistämiseksi”, Bazant sanoo. ”Litium interkaloituu samaan aikaan, kun elektroni siirtyy, ja ne helpottavat toisiaan.”

Tämä kytkettyjen elektronien ioninsiirto (CIET) alentaa energiaestettä, joka on ylitettävä interkalaatioreaktion tapahtumiseksi, mikä tekee sen todennäköisemmäksi. CIET:n matemaattinen viitekehys mahdollisti tutkijoiden tehdä reaktionopeusennusteita, jotka validoitiin heidän kokeiluillaan ja jotka poikkesivat huomattavasti aiemmasta Butler-Volmer-mallin tekemistä ennusteista.

Löydökset voisivat myös auttaa tutkijoita suunnittelemaan akkuja, jotka latautuisivat nopeammin nopeuttamalla litiumin interkalaatioreaktiota. Toinen tavoite on vähentää sivureaktioita, jotka voivat aiheuttaa akun heikkenemistä, kun elektronit irtoavat elektrodista ja liukenevat elektrolyyttiin.

”Jos haluat tehdä sen rationaalisesti, etkä vain kokeilemalla ja erehtymällä, tarvitset jonkinlaisen teoreettisen viitekehyksen tietääksesi, mitkä ovat tärkeät materiaaliparametrit, joilla voit leikkiä”, Bazant sanoo. ”Sitä tämä artikkeli yrittää tarjota.”

Aiheesta aiemmin:

Uusi käänne akkujen suunnitteluun

Harppaus eteenpäin vesipitoisessa Mg-Ioni-akkuteknologiassa

Interkalatoitu pseudokapasitanssi