Litium-ilma-akkujen menekki jatkuu

Uusi katodi voisi parantaa akun käyttöikää, mutta litium-ilma-akut kestävät silti vain noin kaksi kuukautta

sähköautojen omistajille etäisyysahdistus—pelko virran loppumisesta ennen seuraavaa latausasemaa—on todellista. Autonvalmistajat, jotka haluavat tuoda EVs: n massamarkkinoille, ovat jo vuosia etsineet vaihtoehtoja, jotka voisivat varastoida enemmän latausta kuin nykyiset litiumioniakut.

yksi vaihtoehto on litium-ilma, ja tutkijaryhmä on keksinyt uudenlaisen katodin, jonka he väittävät voivan pidentää tällaisten akkujen käyttöikää. Applied Catalysis B-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa: Eteläkorealainen ja Thaimaalainen työryhmä kuvailee, kuinka he päällystivät nikkelikobolttisulfidin nanoflaket grafeenikatodille, joka on dopedoitu rikillä. Tulos: elektrodi, jolla on sekä parannettu sähkönjohtavuus että katalyyttinen aktiivisuus.

”se on hyvin mielenkiintoinen suunnittelutapa”, sanoo Harry Hoster, brittiläisen Energiateknologioihin keskittyvän Energy Lancasterin johtaja.

akut tuottavat yleensä sähköenergiaa redox-reaktiolla. Litium-ilma-akuissa anodista saatava litium hapettuu samalla kun happimolekyylit pelkistyvät katodilla. Syntyvä tuote on litiumperoksidi (Li2O2).

katodi on oletettavasti paikka, jossa taika tapahtuu. Koska happea voidaan syöttää jatkuvasti ilmasta sen sijaan, että se varastoitaisiin äärellisinä määrinä kennoon, litium-ilma-akut voivat teoriassa tarjota energiatiheyden, joka on 10 kertaa suurempi kuin niiden litiumioniserkut. Ja mitä enemmän grafiittikatodille kertyy litiumperoksidia, sitä suurempi akun Latauskapasiteetti on.

Hiilikatodin muokkaaminen rikillä helpottaa litiumperoksidin tarttumista siihen, Hoster sanoo. ”Rikkiatomeissa on paikallisia liimapisteitä, jotka ankkuroivat esineitä, joihin tarttua”, hän sanoo.

rikki tuo akkuun myös lisäetuja, sanoo fysikaalinen kemisti Sangaraju Shanmugam korealaisesta Daegu Gyeongbuk-Tiede-ja teknologiainstituutista ja yksi lehden kirjoittajista. Koska rikkiatomit ovat kooltaan paljon suurempia kuin niiden hiilikollegat, rikkidoping katodi laajentaa huokoista hiilihilarakennetta kasvattaen sen pinta-alaa. ”Kun näin tapahtuu, elektronit voivat liikkua grafeenin sisällä paremmin ja siten sähkönjohtavuus paranee”, Shanmugam sanoo.

katodin pinnan päällystäminen nikkelikobolttisulfidinanoflakeilla antaa lisäpotkua lisäämällä katalyyttistä aktiivisuutta. ”Rikki vuorovaikuttaa nikkelikobolttisulfidin metallipaikkojen kanssa, ja grafeenin pinnan ja nanoflakesin välillä on vahva synergistinen vuorovaikutus”, Shanmugam selittää.

hiutaleet muodostavat myös suojaavan kerroksen katodin pinnan ja syntyvän litiumperoksidipurkaustuotteen välille, joka on Voimakkaasti syövyttävää. Tuloksena on paljon parempi akun kestokyky-hieman yli 1700 tuntia eli yli kaksi kuukautta—mikä Shanmugamin mukaan on ”yksi vahvimmista kohdista” heidän keksinnössään. Ominaispurkauskapasiteetti on myös ”erittäin korkea” lähes 14 200 milliampeeritunnin grammassa (mAh/g). Uudelle teknologialle on vireillä Koreassa patentti.

” heidän ehdottamansa materiaalit ovat hyvin, hyvin mielenkiintoisia…ja näyttää siltä, että he ovat ensimmäiset, jotka tuovat tämän yhteisöön”, Lancasterin Hoster sanoo. Hän on kuitenkin varovainen sen suhteen, kuinka optimistisia tulokset todellisuudessa ovat.

järjestelmää on testattava jämäkämmin, hän sanoo. Oikein mitata elektrokatalyyttinen aktiivisuus, tutkijoiden olisi pitänyt tehdä syklinen voltammogrammi (tyyppi testi, jossa ulkoista jännitettä sovelletaan ja vaihteli nähdä, miten akun nykyinen muuttuu vastaavasti) korkea, eikä Alhainen, nopeudet. Lisäksi heidän suorittamansa purkauskoe on liian matala (pysähtyen tiettyyn kapasiteettiin 1000 mAH/g), jotta sitä voitaisiin pitää asianmukaisena stressitestinä, koska ”et tuota paljon sivutuotteita, jotka aiheuttavat akun haalistumisen pitkällä aikavälillä”, Hoster sanoo.

hän nostaa esiin myös akun alhaisen lataustehokkuuden, joka on mittari sille, kuinka paljon energiaa saat verrattuna siihen energiaan, jonka lataamiseen laitat. Energiahäviö voi johtua lämmöntuotannosta tai ei-toivotuista sivureaktioista, jotka tapahtuvat elektrodeissa. Noin 65 prosentissa se on 15-25 prosenttia pienempi kuin mitä litiumioniakkuilta odottaisi. Tämä on yksi monista huolenaiheista, jotka vaivaavat edelleen litium-ilma-akkujen käyttöä. Toiset sisältävät, mitä tehdä kemiallisesti aggressiivisen litiumperoksidin sivutuotteella, joka muodostaa, mikä vaatii suuren latausjännitteen poistamiseksi, voi hajottaa elektrolyytin ja myöhemmin rajoittaa akun käyttöikää.

myös puhdas litiumanodi aiheuttaa ongelman. Erittäin reaktiivinen litium voi syttyä, kun se altistuu vedelle ja muille alkuaineille. Sitten on kysymys ilmasta itsestään. Vaikka hapen syöttäminen akkuihin toimii hyvin laboratoriossa, se ei ole mahdollista sähköautoille, jotka kulkevat teillä. Ilman hyödyntäminen on tavoite, mutta ensin pitäisi poistaa paristoja vahingoittavat epäpuhtaudet, kuten hiilidioksidi ja vesihöyry.

nämä kehityshaasteet ovat vaimentaneet innostusta litium-ilma-akkuihin viime vuosina, kun esimerkiksi IBM ja Yhdysvaltain rahoittama Joint Center for Energy Storage Research ovat hylänneet tutkimuksensa muiden seuraavan sukupolven akkutyyppien hyväksi. Jopa Faraday Institution, Iso-Britannia. laitos, joka on kaatanut 65 miljoonaa puntaa akkututkimukseen, päätti viime rahoituskierroksellaan investoida litium-rikkiakkuihin litium-ilma-akkujen sijaan, koska he pitivät edellistä ”myös riskialttiina mutta realistisempana”, Hoster sanoo.

” se on ollut raitistavaa todellisuutta…litium-happi-akku on vähän samanlainen kuin mitä ydinfuusio on isoissa teknologioissa, hän sanoo. ”On olemassa suuria potentiaalisia voittoja, mutta on monia keskeneräisiä asioita.”

koska litium-ilma-akkujen energiatiheys on kuitenkin mahdollisesti 10 kertaa suurempi kuin perinteisten litiumioniakkujen, ”on vielä iso peli pelaamatta”, Hoster sanoo. ”Mutta on hallittava odotuksia.”