Ionogeeli voisi varastoida energiaa turvallisesti ja kestävästi

Oak Ridgen kansallislaboratorion tutkijat ovat kehittäneet innovatiivisen energian varastointijärjestelmän, joka tarjoaa turvallisemman ja tehokkaamman menetelmän sähkövarauksen siirtoon.

Tutkimus edistää perustavanlaatuista ymmärrystä siitä, miten funktionaaliset ryhmät vaikuttavat voimakkaasti varautuneiden polyelektrolyyttikalvojen mekaaniseen ja sähkökemialliseen suorituskykyyn. Polyelektrolyyttikalvot ovat ohuita, varautuneita polymeerilevyjä, jotka auttavat hallitsemaan ionien liikettä energialaitteissa.

Ionogeeli, joka ei ole nestemäinen eikä kiinteä, voi kuljettaa ioneja tehokkaasti. Kerrostamalla ionogeeliä joustavien, erittäin ohuiden polymeerilevyjen väliin tutkijat loivat kestäviä, varausta kantavia kalvoja. Uusi kerros kerrokselta -rakenne tasapainottaa tehokkaasti johtavuuden ja rakenteellisen lujuuden.

Tutkijat rakensivat "pseudosolid polyelektrolyyttikalvoja" kerrostamalla polymeerilevyjä litiumsuoloista ja ionisista nesteistä valmistetulla ionogeeleillä. Järjestelmä lisää ionivirtausta ja parantaa mekaanista lujuutta.

Litiummetallin varastointikapasiteetin saavuttamiseksi litiumanodin on oltava yhteydessä siirtymämetalliin, joka voi helposti saada tai luovuttaa elektroneja osallistuakseen kemiallisiin reaktioihin tai muodostaakseen yhdisteitä.

Litiumanodi vaatii myös katodin, joka on erotettu anodista ja sen liuoksesta polymeerillä. Litiumin reaktiivisuuden veden kanssa aiheuttamien epävakauksien ja turvallisuusongelmien estämiseksi litium on myös liotettava nestemäisessä elektrolyytissä, joka ei ole vesipohjaista.

Kuitenkin, kun litiumia käytetään nestemäisen elektrolyytin kanssa, se voi muodostaa dendriittejä. Ennustamattomasti kasvavat dendriitit voivat lävistää anodin ja katodin välisen polymeerierottimen ja voivat aiheuttaa tulipaloja ja vakavia vaurioita.

Dendriittien muodostumisen estäminen vaatii kalvon, joka on riittävän vahva kestämään puhkeamisia säilyttäen samalla korkean johtavuuden. Yhdistämällä litiumsuoloja ja palamattomia ionisia nesteitä tutkijat päätyivät kiinteään rakenteeseen, joka säilyttää muotonsa ja suorituskykynsä huoneenlämmössä.

Tuloksena oleva rakenne toimii sekä elektrolyyttinä että erottimena, mikä poistaa nestemäisen elektrolyytin tarpeen ja estää vaarallisten dendriittien muodostumisen. Kalvo myös yhdistää kiinteän aineen mekaanisen lujuuden nesteen ionivirtaustehokkuuteen. Mekaanisesti vahvistettuna se kestää ylilatauksesta johtuvan kaasun kertymisen aiheuttamat sisäiset paineet. Tämä parannettu lujuus voi myös estää dendriittien puhkeamisen.

Mekaaninen kestävyys, joka on tiimin kerrosrakenteen keskeinen tulos, voi auttaa varmistamaan pitkäaikaisen latauksen ja purkauksen eli syklin litiummetallisen energian varastointijärjestelmissä. Laboratoriotesteissä tiimin uudet kalvot osoittivat vakaata ja tehokasta suorituskykyä satojen lataus/purkaussyklien aikana, jopa olosuhteissa, jotka tyypillisesti heikentävät tällaisia järjestelmiä.

Aiheesta aiemmin:

Litiumin magneettinen ohjaus mahdollistaa tehokkaan ja turvallisen akun

Kohti anoditonta kiintoaineakkua

Uudenlainen elektrodirakenne tehokkaammille akuille