Litiumin magneettinen ohjaus mahdollistaa tehokkaan ja turvallisen akun

Korealaisten Pohang University of Science and Technology (Postech) tutkijat ovat kehittäneet seuraavan sukupolven hybridianodin, jossa hyödynnetään ulkoista magneettikenttää litiumionien kuljetuksen säätelyyn joka samalla estää tehokkaasti dendriittien muodostumista korkeaenergisissä elektrodeissa.

Tutkimusryhmä on esitellyt magnetokonversion strategian, jossa ferromagneettiseen mangaaniferriitin konversiotyyppiseen materiaaliin kohdistetaan ulkoinen magneettikenttä anodille.

Sähköajoneuvojen ja laajamittaisten energian varastointimarkkinoiden kasvaessa nopeasti akkuteollisuudella on kiireellinen haaste: kehittää akkuja, jotka varastoivat enemmän energiaa ja pysyvät samalla turvallisina.

Litiummetallianodeilla on poikkeuksellisen suuri teoreettinen kapasiteetti, mutta ne ovat alttiita muodostamaan dendriittejä toistuvan latauksen myötä, mikä voi puhkaista erottimen, aiheuttaa sisäisiä oikosulkuja ja laukaista tulipaloja tai räjähdyksiä.

Samaan aikaan perinteisillä grafiittianodeilla – joita käytetään nykyään laajalti – on luonnostaan kapasiteettirajoituksia, minkä vuoksi seuraavan sukupolven anoditeknologiat ovat välttämättömiä.

Idea oli yksinkertainen: ”Jos magneetti voi kohdistaa rautalastuja, miksi sitä ei käytettäisi litiumionien virtauksen järjestämiseen?” Kun litiumia asetetaan mangaaniferriittianodiin, se tuottaa ferromagneettisia metallisia nanopartikkeleita.

Magneettikentän vaikutuksesta nämä nanopartikkelit asettuvat elektrodin sisällä kuin pienet magneetit. Tämä asettuminen levittää litiumionit tasaisemmin pinnalle estäen niitä keskittymästä tietyille alueille.

Tämän prosessin aikana Lorentzin voima – magneettikentässä varattuihin hiukkasiin kohdistettu voima – dispergoi litiumioneja edelleen edistäen tasaista kulkeutumista. Tämän seurauksena anodi ei muodosta vaarallisia dendriittejä, vaan kehittää sileän, tiheän ja yhtenäisen litiummetallikerrostuman.

Lisäksi anodi toimii hybridijärjestelmänä, joka varastoi litiumia sekä oksidimatriisiin että pinnalle kerrostuneena metallisena litiumina. Tämä kaksoismekanismi mahdollistaa noin neljä kertaa suuremman energian varastointikapasiteetin kuin kaupallisilla grafiittianodeilla, samalla kun se ylläpitää vakaata lataus-purkaussykliä ilman dendriittien muodostumista.

Merkillepantavaa on, että akku säilytti yli 99 %:n Coulombin hyötysuhteen yli 300 syklin ajan, mikä osoittaa erinomaista pitkän aikavälin vakautta.

Tutkimusta johtanut professori Won Bae Kim totesi: ”Tämä lähestymistapa ratkaisee samanaikaisesti litiummetallianodien kaksi suurinta haastetta – epävakauden ja dendriittien muodostumisen. Se edustaa uutta polkua kohti turvallisempia ja luotettavampia litiummetalliakkuja.” Hän lisäsi: ”Odotamme tämän teknologian toimivan perustana seuraavan sukupolven akkujen kapasiteetin, käyttöiän ja latausnopeuden parantamiselle.”

Aiheesta aiemmin:

Tehokkaampia akkuelektrodeja

Kohti tehokasta anoditonta natriumakkua

Alumiinianodi tarjoaa kestävän vaihtoehdon