Kohti tehokasta anoditonta natriumakkua

Bingyuan Ma ja läpinäkyvä kapillaarikenno. Bai's Lab McKelveyn teknillisessä korkeakoulussa on ainoa maailmassa, jolla on tällaisia diagnostisia kennoja. (Kuva: Bai Lab)

Washingtonin yliopiston apulaisprofessori Peng Bai on kehittämässä vakaata natriumioniakkua, joka olisi erittäin tehokas, halvempi valmistaa ja on pienempi kuin perinteinen litiumioniakku, sillä siinä ei ole anodia.

Perinteinen litiumioniakku koostuu katodista ja anodista, jotka molemmat varastoivat litiumioneja.

Käsite korvata litium natriumilla ja poistaa anodi ei ole uusi. Mutta anodittomat akut ovat yleensä epävakaita, kasvattavat dendriittejä tai yksinkertaisesti heikkenevät nopeasti. Tämä johtuu alkalimetallien, tässä tapauksessa natriumin, reaktiivisuudesta.

Uudessa ratkaisussa käytetään vain ohutta kuparikalvoa virrankerääjänä anodipuolella eli akussa ei ole aktiivista anodimateriaalia.

Sen sijaan, että ionit kulkeutuisivat anodiin, jossa ne istuvat, kunnes siirtyvät takaisin katodiin, anodittomassa akussa ne muuttuvat metalliksi. Ensin ne levittäytyvät kuparikalvolle, josta ne sitten liukenevat pois, kun on aika palata katodille.

Kehitystyön avainasemassa on prosessin tarkkailu. Bai on kehittänyt ainutlaatuisen, läpinäkyvän kapillaarikennon, joka tarjoaa uuden tavan tarkkailla akun toimintaa. Perinteisesti, kun akku ei toimi, vikaa haetaan avaamalla ja tutkimalla akkua. Mutta se on tehoton menetelmä.

"Kaikki akun epävakaudet kertyvät työjaksoprosessin aikana", Bai painottaa. "Merkittävää on epävakaus dynaamisen prosessin aikana, eikä ole mitään menetelmää sen kuvaamiseksi." Tarkkailemalla Bingyuan Man anoditonta kapillaarikennoa: "Voisimme selvästi nähdä, että jos ei ole kunnollista elektrolyytin laadunvalvontaa, nähdään erilaisia epävakauksia", mukaan lukien dendriittien muodostuminen, Bai toteaa.

Pohjimmiltaan asia riippuu siitä, kuinka paljon elektrolyytissä on vettä.

Alkalimetallit reagoivat veden kanssa, joten tutkimusryhmä vei vesipitoisuuden minimiin. "Toivoimme nähdä hyvän esityksen", Bai toteaa. Katsellessaan akkua toiminnassa tutkijat näkivät pian kiiltävät, sileät natriumkerrostumat. Materiaalin sileys eliminoi morfologiset epäsäännöllisyydet, jotka voivat johtaa dendriittien kasvuun.

"Palasimme tarkistamaan kapillaarikennoja ja huomasimme, että elektrolyytin kuivumisprosessi kesti pidempään", Bai sanoi. Kaikki puhuvat akkujen vesipitoisuudesta, mutta aikaisemmissa tutkimuksissa veden määrä oli usein laskettu yksinkertaisesti tilastollisesti. Tutkijat tajusivat, että se oli itse asiassa avain.

"Vesipitoisuuden on oltava alle 10 miljoonasosaa", Bai sanoo. Tämän toteutuksen myötä Bingyuan Ma pystyi rakentamaan paitsi kapillaarikennon, myös toimivan akun, joka on suorituskyvyltään vastaava kuin tavallinen litiumioniakku, mutta vie paljon vähemmän tilaa anodin puuttumisen vuoksi.

Natriumakut käyttävät yleisempää metallia kuin litiumakut; Niiden energiatiheys on sama kuin litiumakuilla ja ne ovat pienempiä ja halvempia kuin litiumakut anodin poistamisen ansiosta.

Aiheista aiemmin:

Perusteita tehokkaammille akuille

Kovahiilestä anodimateriaali natrium-ioni akulle

Kiinteä elektrolyytti natrium-akuille