Akkututkimuksia atomitasolla

Stanfordin yliopiston Precourt-energiainstituutin ja energiaministeriön SLAC National Accelerator Laboratoryn yhteistyöhankkeessa tutkimusryhmä havaitsi, että lisäämällä litiumioniakkumateriaaleihin hallitun määrän osittaista epäjärjestystä, he voisivat luoda vakaita akkumateriaaleja, jotka eivät laajene tai supistu.

”Ratkaisumme on avainasemassa litiumioniakkuja vaivaavan laajenemisen ja supistumisen poistamisessa”, sanoo Junghwa Lee, tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja apulaistutkijan Zhelong Jiangin kanssa. ”Toivomme, että tämä suunnittelu on pohja uudelle akkuparadigmalle.”

Kutistumisen ja laajenemisen välttämiseksi Chueh ja hänen tiiminsä aloittivat perusasioista. He eivät halunneet luottaa uusiin materiaaleihin ja monimutkaisiin koostumuksellisiin muutoksiin, joita olisi vaikea integroida nykyiseen akkujen valmistusprosessiin.

Sen sijaan he suuntasivat tähtäimeensä laajalti käytetyn katodimateriaalin – nikkelikerrosoksidin – ja muuttivat atomien kerrostumistapaa atomitasolla. Tutkijat tiesivät jo, että litiumin poistaminen katodista akun latauksen aikana aiheuttaa rakenteen supistumisen. Muiden kuin litiumatomien lisääminen kerrokseen on yksi strategia estää romahdus.

"Sen sijaan, että olisimme käyttäneet vieraita atomeja estääksemme hilan romahtamisen, käytimme kuitenkin olemassa olevia nikkeliatomeja", Junghwa Lee sanoi.

Tiimi vapautti pienen määrän happea akun ensimmäisen latauksen yhteydessä, mikä sai osan nikkelistä siirtymään atomikerrosten väliin. Nämä nikkeliatomit muodostivat "pilareita", jotka tarjoavat rakenteellista lisätukea kerrostuneelle katodirakenteelle.

”Kun happea vapautuu, materiaalien atomit alkavat liikkua”, Zhelong Jiang sanoi. ”Tutkijat ovat aiemmin käyttäneet tätä tekniikkaa akun energiatiheyden lisäämiseen, mutta me käytimme sitä keinona järjestää atomit pysyvästi uudelleen katodirakenteessa.”

Tämän epäjärjestyksen tuloksena on huomattava stabiilius: Uusi hila-katodirakenne osoitti lähes nollavetoa ja kutistui alle 1 % akun latauksen ja purkamisen aikana.

Tämä vakaa katodimateriaalirakenne saavutetaan yksinkertaisella sähkökemiallisella aktivointivaiheella ensimmäisen syklin aikana, mikä tekee siitä erittäin sopivan valmistukseen, Lee sanoi, koska "jokainen vaihe sisältää prosesseja, jotka ovat jo alan standardeja, joten sitä voidaan skaalata ylöspäin".

Tällaista lähestymistapaa voitaisiin käyttää myös muissa sähkökemiaan keskittyvissä energian varastointijärjestelmissä. ”Suunnittelustrategiamme on erittäin yleistettävissä”, Jiang sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Tiedettä kokeilujen sijaan Li-Ion akkujen suunnitteluun

Akkututkimuksia atomien ja sienien tasolla