Näkymiä akkujen elektrodeihin

Nykyaikaisilla tutkimuslaitteilla voidaan jopa nähdä mitä akun elektrodin sisällä tapahtuu latauksen ja purkauksen aikana.

MIT:ssä on (transmission electron microscope) TEM-videoinnin avulla selvitetty litium-rauta-fosfaattisen (LiFePO4) elektrodimateriaalin sisäisiä tapahtumia. Havainnot selittävät näiden akkujen aikoinaan tutkijat yllättäneen suuren tehon ja pitkät käyttöjaksot.

Tutkijat havaitsivat, että latauksen aikana elektrodin sisäiset kiinteän liuoksen alueet (solid-solution zone, SSZ) muodostavat rajoja litium-rikkaan ja litium-köyhän alueiden välille. Se on alue, jonne lataus on keskittynyt, kun litium-ioneja vedetään pois elektrodilta.

SSZ on "metastabiilissa" -tilassa, joka säilyy usean minuutin ajan ja toimii puskurina jyrkkien LiFePO4- ja FePO4-rajapintojen välillä vähentäen dislokaatioiden määrää, joita esiintyy sähkökemiallisen reaktion edetessä.

Myös natrium mangaanidioksidi on osoittautumassa kiinnostavaksi lupaukseksi akkujen elektrodeihin.

Siihen liittyen eräs toinen MIT-vetoinen tutkijaryhmä on tuottanut yksityiskohtaisen visualisoinnin yksittäisten atomien tasolla siitä miten kyseinen aine käyttäytyy latauksen ja purkamisen aikana.

Normaalisti atomit järjestyvät akkumateriaaleissa varsin selkeästi vakiintuneen fysiikan mukaisesti mutta tässä materiaalissa, järjestystä ohjaa Jahn-Teller -vaikutus. Se kuvaa, miten atomien paikat tietyissä yhdisteissä voivat olla hieman vääristyneitä, muuttaen materiaalin sähköisiä ja magneettisia ominaisuuksia.

Edellistä ryhmää vielä monimutkaisempia menetelmiä käyttämällä, tutkijat osoittivat, että materiaali tuottaa erityisen "superrakenteen"; hyvin alhaisissa lämpötiloissa esiintyy vuorottelevat raidat ferrimagneettisia ja antiferromagnetisia atomiketjuja.

"Tämä on vielä perustutkimusta ja perimmäisenä tavoitteena on selvittää, miten tehdä suurikapasiteettisen natrium-ioni-akun elektrodi toteavat tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Natrium-ioni yhdisteellä tehdyt akkututkimukset ovat jo osoittaneet mahdollisuuksia, jotka ovat verrattavissa kaupallisiin litium-ioni-akkuihin. Natriumia löytyy runsaammin ja se on halvempaa ja turvallisempaa kuin litium.