Viat saattavat tehostaa akkuja13.12.2019 Kuvassa on akun katodin läpikäymä faasisiirtymä rautafosfaatista (FP) litiumrautafosfaatiksi (LFP) latauksen aikana. Rice-yliopiston tutkijoiden simulaatiot osoittivat, että katodin kidehilan vääristymät voisivat auttaa akkuja latautumaan nopeammin. Rice Universityn tutkijat ovat havainneet, että erityisten vikojen sijoittaminen litiumrautafosfaattipohjaisien katodien kidehilaan laajentaa mahdollisuuksia, joiden kautta litiumionit kulkevat. Heidän teoreettiset laskelmansa aiheesta voisivat parantaa suorituskykyä jopa kahdella suuruusluokalla sekä osoittaa tietä vastaavanlaisiin parannuksiin myös muissa akkutyypeissä. Viat joissa rauta-atomit ovat paikoissa, joissa litiumin tulisi olla haittaavat litiumin liikkumista kidehilan sisällä ja yleensä niiden katsotaan olevan haitallisia akun suorituskyvylle. Litiumrautafosfaatin tapauksessa tutkijat kuitenkin havaitsivat, että ne luovat katodin sisällä useita kiertoteitä ja mahdollistavat siten litiumionien pääsyn reaktiorintamaan laajemmalla pinnalla, mikä auttaa parantamaan akkujen varaus- tai purkamisnopeutta. Litiumrautafosfaatti on laajalti käytetty katodimateriaali litium-ioni-akuissa ja se toimii myös hyvänä mallijärjestelmänä akkujen työjaksoprosessien taustalla olevan fysiikan tutkimiseen, toteaa Ricen materiaalitutkija Ming Tang. Kun litiumia lisätään, katodi muuttuu litiumheikosta litiumrikkaaksi, Kun pintareaktion kinetiikka on hidasta, litium voidaan viedä litiumrautafosfaattiin vain kapealla pinta-alueella faasirajan ympärillä, ilmiö, joka rajoittaa akun varausnopeutta. Jos vikoja ei ole, litium pääsee vain tälle pienelle alueelle aivan faasirajan ympärillä. Vikakohdat voivat kuitenkin tehdä litiumin ujuttamisen yhtenäisemmäksi, joten raja liikkuu nopeammin ja akku latautuu nopeammin. "Jos pakotat virheettömän katodin latautumaan nopeasti käyttämällä suurta jännitettä, pinnalla on erittäin suuri paikallinen litiumvirta ja tämä voi vaurioittaa katodia. Tämä ongelma voidaan ratkaista käyttämällä vikoja levittämään vuota koko katodin pintaan." "Vikapitoisuutta voitaisiin hallita materiaalin hehkuttamisella. Viat mahdollistaisivat käyttää myös nanokiteitä suurempia katodipartikkeleita energiatehokkuuden parantamiseksi ja pinnan heikkenemisen vähentämiseksi. Mielenkiintoinen ennuste mallista on, että optimaalinen vikakonfiguraatio riippuu myös hiukkasten muodosta", taustoittaa aihetta Tang, Tang toteaa, että laskentamallia voitaisiin soveltaa yleisenä strategiana faasia muuttavien akkuyhdisteiden parantamiseksi. Rakenteellisissa materiaaleissa, kuten teräksessä ja keramiikassa, tutkijat leikkivät virheillä koko ajan tehdäkseen materiaaleista vahvempia. Mutta temppua ei oikein ole hyödynnetty akkujen parissa. "Yleensä ihmiset näkevät viat häiriöinä, jotka on poistettava. Mutta uskomme, että voimme muuttaa viat ystäväksi, ei vihollisiksi paremman energian varastoinnin mahdollistamiseksi," filofosoi Ming Tang. Aiheeesta aiemmin: Uutta puhtia litium-akkuihin |
Nanotekniikka on tulevaisuuden lupaus. Näillä sivuilla seurataan elektroniikkaa sekä tieto- ja sähkötekniikkaa sivuavia nanoteknisiä tiedeuutisia.