Uusi elektrolyytti antaa ionien virrata

Yhdysvaltain energiaministeriön Oak Ridgen kansallisen laboratorion tutkijat ovat löytäneet keinon suunnitella superionisia polymeerielektrolyyttejä kiinteän olomuodon akuille ja muille energiasovelluksille.

Tutkijat osoittivat, että hallitsemalla huolellisesti litiumsuolapohjaisen polymeerin kemiallista koostumusta he voisivat luoda materiaalin, joka mahdollistaa ionien supernopean kuljetuksen akuissa ja monissa muissa energian varastointi- ja muuntamisteknologioissa.

”Tutkijat ympäri maailmaa keskittyvät polymeerielektrolyyttien potentiaalin vapauttamiseen, koska niillä on paljon etuja perinteisiin nestemäisiin elektrolyytteihin verrattuna”, sanoo Catalin Gainaru. ”Nopean ionikuljetuksen saavuttaminen on aina ollut polymeerielektrolyyttien suuri haaste, mutta viimeaikainen tutkimuksemme osoittaa, että näin ei ehkä enää ole.”

Monissa kiinteän olomuodon konsepteissa käytetään keraamisia elektrolyyttejä, jotka kuljettavat ioneja niin tehokkaasti, että ne tunnetaan superionisina keraamisina aineina. Valitettavasti nämä keraamit ovat alttiita rikkoutumaan haurauden vuoksi. Niitä on myös vaikea rullata ohuiksi kalvoiksi, eivätkä ne tartu hyvin akun elektrodeihin.

ORNL:n tutkijat osoittivat, kuinka polymeerimateriaali voi saavuttaa samanlaisen superionisen tilan, jossa ionit voivat liikkua jopa 10 miljardia kertaa nopeammin kuin ympäristönsä, ilman nesteiden ja keraamien haittoja.

Polymeerit ovat materiaaleja, jotka muodostuvat pitkistä molekyyliketjuista, jotka koostuvat pienistä, toistuvista rakenneosista. Tunnettuja esimerkkejä ovat erilaiset muovit, jotka yleensä koostuvat toistuvista yksiköistä, jotka sisältävät hiiltä ja muita atomeja. ORNL:n polymeerielektrolyytti sisältää polaarisia segmenttejä, jotka edistävät litiumsuolojen sisällyttämistä ja parantavat vahvasti ionien liikkuvuutta.

Keskeinen kehitysaskel oli polymeerin rakenteen huolellinen hienosäätö lisäämällä tarkkoja määriä molekyyliryhmiä, joita kutsutaan zwitterioneiksi. Nämä erityiset funktionaaliset ryhmät kantavat sekä positiivisia että negatiivisia varauksia, mikä lisää paikallista polaarisuutta, mutta aiheuttaa makromolekyylin tasolla nolla varauksen.

Tutkijat havaitsivat, että optimaalinen molekyylipaino saavutettiin funktionalisoimalla noin 80 prosenttia polymeerielektrolyytin yksiköistä zwitterionisilla ryhmillä. Tässä vaiheessa taskut yhdistyvät kanavamaisiksi rakenteiksi, jotka sallivat ionien hyppiä edestakaisin järjestelmällisesti minimaalisella vastuksella.

Tutkimusryhmä aikoo rakentaa tämän lupaavan varhaisen vaiheen tutkimuksen pohjalle lisätutkimuksilla polymeerin superionisen luonteen mahdollistavista perusmekanismeista.

Vaikka kiintoaineakut ovat selkeä sovellus uudelle elektrolyytille, monet energiateknologiat ovat myös riippuvaisia tehokkaasta ionien kuljetuksesta. Virtausakut, polttokennot, verkkotason energian varastointi ja monet muut sovellukset voisivat hyötyä näistä uusista polymeereistä, toteavat tutkija aiheen tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Uusi korkean jännitteen kiintoaine-elektrolyytti

Kohti anoditonta kiintoaineakkua

Kivestä tulevaisuuden kiintoaineakun perusta?