Tuhannen työjakson akku voisi viisinkertaistaa sähköautojen matkat

Akun kuvaus osoittaa, kuinka litium-ionit voivat palata litiumelektrodille, kun taas litiumpolysulfidit eivät pääse elektrodeja erottavan kalvon läpi. Lisäksi litiumelektrodista kasvavat piikkimäiset dendriitit eivät voi oikosulkea akkua lävistämällä kalvon ja saavuttamalla rikkielektrodin.

Suurempi kuva

Uusi biologian inspiroima akkukalvo on mahdollistanut akun, jonka kapasiteetti on viisi kertaa suurempi kuin standardeilla litiumionirakenteilla ja voi toimia yli tuhannen käyttöjakson ajan, jotka tarvitaan sähköauton käyttämiseen.

Michiganin yliopiston tiimi on osoittanut, että Kevlarista kierrätetty aramidinanokuitujen verkko voi auttaa litium-rikki –akkuja (Li-S) voittamaan käyttöjaksojensa vähäisen määrän.

Nykypäivän haasteena on valmistaa akku, joka lisää työjaksoja aiemmista kymmenistä satoihin ja täyttää useita muita vaatimuksia, mukaan lukien kustannukset", sanoo professori Nicholas Kotov, joka johti tutkimusta.

Litiumakkujen ongelma on, että siinä muodostuu pieniä litiumin ja rikin molekyylejä jotka sitten kulkeutuvat ja kiinnittyvät litiumiin heikentäen näin akun kapasiteettia.

Tarvitaan kalvo mahdollistamaan litiumionien kulun litiumista rikkiin ja takaisin ja estämään litium- ja rikkihiukkasien, jotka tunnetaan litiumpolysulfideina, kulun. Tätä erottelukykyä kutsutaan ioniselektiivisyydeksi.

"Biologisten ionikanavien inspiroimana suunnittelimme litiumioneille valtateitä, joissa litiumpolysulfidit eivät voi ohittaa tietulleja", kertoo kemiantekniikan tutkijatohtori Ahmet Emre.

Kalvon rakennesuunnittelu perustui solukalvojen ionikanaviin, jotka tunnetaan tehokkaasta ionien kuljetuksesta yhdistettynä korkeaan ioniselektiivisyyteen, sekä rustosta, joka tunnetaan ainutlaatuisista mekaanisista ominaisuuksista.

Litiumionit ja litiumpolysulfidit ovat kooltaan samanlaisia, joten litiumpolysulfidien estäminen ei onnistu pelkästään pienillä kanavilla. Tutkijat ottivat avuksi solukalvojen ionikanavissa esiintyvän sähköisen varauksen. Litiumpolysulfidit takestuvat aramidin nanokuituihin ja negatiiviset varaukset hylkivät litiumpolysulfidi-ioneja. Positiivisesti varautuneet litiumionit pääsevät kuitenkin kulkemaan vapaasti läpi.

"Ennätystasojen saavuttaminen useilla parametreilla useilla materiaalien ominaisuuksilla on nyt se, mitä tarvitaan autojen akuille", Kotov hehkuttaa.

Ruston kaltaisia bioinspiroituja ANF-kalvoja käyttävien akkujen kapasiteetti oli lähes teoreettinen maksimikapasiteetti 1268 mAh g-1, käyttöikä jopa yli 3500 työjaksoa  ja purkausnopeus jopa 3C. Turvallisuuden kannalta välttämätön ANF:ien korkea lämmönkestävyys mahdollistaa käytön jopa 80 °C:n lämpötiloissa.

Suuremman kapasiteetin lisäksi litium-rikkiakuilla on ympäristöetuja muihin litiumioniakkuihin verrattuna. Rikkiä on paljon runsaammin kuin litiumionielektrodien kobolttia. Lisäksi akkukalvon aramidikuituina voidaan käyttää vanhoista luotiliiveistä kierrätettyjä kuituja.

Aiheesta aiemmin:

Tavoitteena 2000 km yhdellä latauksella

Rikkikemiaa akuille ja vedyntuottoa vihreästi