Akkujen anodeja piistä, grafeenista ja hiilinanoputkista

Pii voi varastoida noin kymmenen kertaa enemmän litiumia kuin useimmissa nykyisissä akkuanodeissa käytetty grafiitti, mutta sen turpoaminen ja kutistuminen hajottaa elektrodirakennetta ja aiheuttaa nopean kapasiteetin heikkenemisen.

Surreyn yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen litiumioniakun anodin, joka tarjoaa pii-hiilinanoputkiselle järjestelmille aiemmin raportoituja korkeimpia energian varastointikapasiteetteja säilyttäen samalla vakauden satojen lataussyklien ajan.

Kehitetty ”vertikaalisesti integroidun pii-hiilinanoputki” (VISiCNT) –rakenne kasvattaa tiheitä hiilinanoputkien metsiä suoraan kuparifoliolle ja päällystää ne ohuella piikerroksella, jolloin syntyy joustava ja johtava rakenne, joka pystyy absorboimaan laajenemista säilyttäen samalla suorituskykynsä.

Tuloksena oleva anodi voi varastoida erittäin suuren määrän energiaa painoonsa nähden. Laboratoriokokeissa se varastoi yli 3500 milliampeerituntia grammaa kohden – lähellä piin mahdollista maksimiarvoa. Se osoitti myös parantunutta vakautta ja suorituskykyä toistuvien lataussyklien aikana.

Uuden lähestymistavan keskeinen etu on, että hiilinanoputket kasvatetaan suoraan kuparille – materiaalille, jota jo käytetään kaupallisissa akuissa – skaalautuvalla valmistusprosessilla. Tämä voisi helpottaa teknologian integrointia olemassa oleviin teollisiin tuotantolinjoihin.

Toinen pii-akkujen ongelma on, että pii kuluttaa suuren osan käytettävissä olevasta litiumista ensimmäisen lataussyklin aikana muodostaen suojaavan pintakerroksen (SEI). Esilitiumointi, jossa anodiin ladataan ylimääräistä litiumia ennen akun kokoamista, kompensoi tätä hävikkiä.

Professori Fernando Patolskyn ja kollegoiden Tel Avivin yliopistossa kehittämä menetelmä korvaa esilitiumioinnin monivaiheisen valmistuksen ja reaktiiviset kemikaalit, jotka ovat tehneet piianodien esilitiumoinnin vaikeaksi.

Ongelmaan tutkijat kehittivät yksivaiheisen laserprosessin, jolla luodaan normaaleissa ilmakehän olosuhteissa esilitiumoituja pii-grafeenisia akkuanodeja.

Tuloksena olevalla komposiitilla on ydin-kuorirakenne. Jokainen piinanopartikkeli säilyttää kiteisen ytimensä, mikä säilyttää korkean varauksen varastointikyvyn. Sen ympärille muodostuu ohut, noin 10 nm paksu litiumsilikaattikuori, joka kompensoi ensimmäisen syklin litiumhäviöitä ja sitoo hiukkasen ympäröivään grafeenirakenteeseen.

Koska komposiitti on vankkarakenteinen, se ei tarvitse sideaineita tai johtavia

lisäaineita. Tämä yksinkertaistaa valmistusta ja alentaa materiaalikustannuksia perinteisiin piianodeihin verrattuna.

Aiheesta aiemmin:

Uusi tutkimus piipohjaisten akkujen elektrodeille

Tutkimus tasoittaa tietä paremmille metalliakuille