Atominen katse litiumakkuihin

Litium-rikkaan katodin visualisointia.

Raskaiden ajoneuvojen ja lentokoneiden sähköistäminen vaatii akkuja, joilla on enemmän energiatiheyttä. Kansainvälinen tutkijaryhmä uskoo, että paradigman muutos on välttämätön, jotta näiden teollisuudenalojen akkuteknologialla olisi merkittävä vaikutus.

Tämä muutos hyödyntäisi anionista pelkistys-hapetusmekanismia litiumia sisältävissä katodeissa. Nature- tiedelehdessä julkaistut havainnot ovat ensimmäiset suorat havainnot anionisesta redoksireaktiosta litiumrikkaassa akkumateriaalissa.

Yhteistyöhön osallistuneita instituutioita olivat Carnegie Mellonin yliopisto, Northeastern University, Lappeenranta-Lahden teknillinen yliopisto (LUT) ja Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) sekä useat japanilaiset yliopistot.

Rikkaat litiumoksidit ovat lupaavia katodimateriaaliluokkia, koska niillä on osoitettu olevan paljon suurempi varastointikapasiteetti. Tutkijat tarvitsevat kuitenkin selkeän käsityksen siitä, miten nämä oksidit toimivat atomitasolla ja millainen rooli niiden taustalla olevilla sähkökemiallisilla mekanismeilla on.

Normaalit litiumioniakut toimivat kationisen redoksin kautta, kun metalli-ioni muuttaa hapettumistilaansa litiumia asetettaessa tai poistettaessa. Tässä lisäyskehyksessä metalli-ionia kohti voidaan varastoida vain yksi litiumioni.

Litiumia sisältävät katodit voivat kuitenkin varastoida paljon enemmän. Tutkijat pitävät tätä anionisen redoksimekanismia - tässä tapauksessa hapen redoksin ansiona. Tämä mekanismi lähes kaksinkertaistaa energian varastoinnin tavanomaisiin katodeihin verrattuna. Tämä redox-mekanismi on noussut johtavaksi kilpailijaksi akkutekniikoiden joukossa ja se edustaa radikaalia muutosta materiaalikemian tutkimuksessa.

Ryhmä haki vakuuttavia todisteita Redox-mekanismista hyödyntäen Comptonin sirontaa ja JASRI:n huipputeknisin tutkimuslaitteiden avulla.

Havaittiin kuinka palautuvan ja stabiilin anionisen redoksiaktiivisuuden ytimessä oleva elektroninen kiertorata voidaan visualisoida ja määrittää sen luonne ja symmetria. Tämä tieteenalan ensimmäinen kuvaus voi olla pelin muuttava saavutus tulevalle akkutekniikalle.

Tutkimusryhmällä oli "Ahaa!" hetki, jolloin he ensimmäisen kerran näkivät teorian ja kokeellisten tulosten välisen yhtäläisyyden redoxin olemuksessa. "Tajusimme, että analyysimme voisi kuvata happitiloja, jotka ovat vastuussa redoksimekanismista, mikä on jotain perustavanlaatuista akkututkimukselle", kertoi Hasnain Hafiz, tutkimuksen johtava kirjoittaja, joka teki tämän työn tutkijatohtorina Carnegie Mellonissa.

"Meillä on vakuuttavia todisteita anionisen redoksimekanismin tukemisesta litiumia sisältävässä akkumateriaalissa", sanoo Carnegie Mellonin apulaisprofessori Venkat Viswanathan. "Tutkimuksemme antaa selkeän kuvan litiumia sisältävän akun toiminnasta atomien mittakaavassa ja ehdottaa reittejä seuraavan sukupolven katodien suunnittelulle sähköisen ilmailun mahdollistamiseksi. Suuren energiatiheyden katodien suunnittelu edustaa akkujen seuraavaa eturintamaa," uskovat tutkijat.

Aiheesta aiemmin:

Perusteita tehokkaammille akuille

Happihyppelyä Li-Ion akuille