Täysorgaanisia akkuja kestävän energian tulevaisuutta varten

Kiinteän olomuodon akut ovat korvaamassa nestemäiset elektrolyytit kiinteillä vaihtoehdoilla, mikä tarjoaa paremman turvallisuuden ja suuremman energiatiheyden. Mutta ne tuovat kuitenkin mukanaan uusia ongelmia: huonon kontaktin, suuren resistanssin, mekaanisen halkeilun ja epävakaan rajapinnan muodostumisen.

Näiden haasteiden perusteella on kiireellisesti tarpeen syventää ymmärrystä ja optimoida elektrodimateriaaleja, jotka ovat luonnostaan yhteensopivia kiinteiden elektrolyyttien kanssa.

Imperial College Londonin ja Universidad Carlos III de Madridin tutkijat ovat julkaisseet yksityiskohtaisen katsauksen kiinteän olomuodon metalli-ioniakkujen polymeerielektrodeista.

Professori Bidhan Panditin johtama tiimi arvioi kriittisesti tärkeimpiä polymeerielektrodimateriaalien ja hahmottelee suunnittelustrategioita suorituskyvyn parantamiseksi molekyylimuokkauksen, silloittamisen, komposiittien muodostamisen ja rajapinnan muokkaamisen avulla.

Katsauksessa korostetaan, että onnistuneet kiintoaineakut edellyttävät polymeerielektrodien ja kiinteiden elektrolyyttien tarkoituksellista yhteissuunnittelua komponenttien erillisen optimoinnin sijaan.

Johtavat polymeerit varastoivat varausta delokalisoitujen π-elektronijärjestelmien ja palautuvien dopingprosessien kautta, mikä mahdollistaa sisäisen elektronijohtavuuden ionien kuljetuksen rinnalla – kaksoisominaisuus, joka soveltuu ainutlaatuisen hyvin kiintoainearkkitehtuureille.

Kirjoittajat tunnistavat kuitenkin kriittisiä rajoituksia: polymeerin turpoaminen nestemäisissä tai lähes kiinteissä elektrolyyteissä, rajoitettu ioni- ja elektroniperkolaatio sekä rajapinnan epävakaudet polymeeri-elektrolyyttikontakteissa.

"Avainasemassa on ajatella polymeerielektrodeja ja kiinteitä elektrolyyttejä yhtenä yhdistettynä järjestelmänä erillisten osinen sijaan", kirjoittajat sanoivat. ”Kun pehmeä polymeerielektrodi asetetaan jäykkää keraamista elektrolyyttiä vasten, rajapinnasta voi tulla heikoin lenkki – se halkeaa tai kehittää vastusta.

Mutta suunnittelemalla molemmat materiaalit yhdessä, käyttämällä polymeeri-keraamisia komposiitteja tai in situ -polymerointia, voimme muuttaa rajapinnan toiminnalliseksi alueeksi, joka todella auttaa akkua toimimaan paremmin. Todellinen mahdollisuus on rakentaa täysin orgaanisia akkuja, jotka ovat paitsi turvallisempia ja joustavampia, myös helpompia kierrättää ja valmistaa kestävästi käyttämällä runsaasti saatavilla olevia, biopohjaisia materiaaleja.”

Joustavat, kiinteän olomuodon polymeeriakut voisivat käyttää seuraavan sukupolven puettavaa elektroniikkaa, lääketieteellisiä implantteja ja taittuvia näyttöjä – sovelluksia, joissa jäykät perinteiset akut eivät riitä.

Kulutuselektroniikan lisäksi biopohjaisista materiaaleista valmistetut täysin orgaaniset akut voisivat vähentää riippuvuutta geopoliittisesti herkistä metalleista, kuten koboltista ja nikkelistä, mikä alentaa sekä ympäristövaikutuksia että toimitusketjun riskejä.

Aiheesta aiemmin:

Uusi elektrolyytti antaa ionien virrata

Ionogeeli voisi varastoida energiaa turvallisesti ja kestävästi

Vetyä ja polymeeriä akkuihin