Lithium-Air: A Battery Breakthrough Explained

advertisement

etsiessään pienempiä, pitkäikäisempiä, tehokkaampia akkuja tutkijat ovat kokeilleet monia vaihtoehtoisia lähestymistapoja akkukemiaan. Yksi saattoi tuottaa juuri odottamamme läpimurron.

urbaanilegendan mukaan kemisti K. M. Abrahamin laboratoriossaan testaamassa akkukennossa oli vuonna 1995 pieni vuoto, joka antoi kennolle huomattavasti odotettua suuremman energiasisällön. Sen sijaan että Abraham olisi yrittänyt korjata vuotoa, hän tutki ja löysi ensimmäisen ladattavan litium-air (Li-air) – akun. Toistaiseksi löytö ei ole johtanut mihinkään teknisesti elinkelpoisiin tuotteisiin, mutta Cambridgen yliopiston tutkimusryhmän Science-lehdessä julkaistu paperi saattaa olla muuttamassa asiaa.

vuonna 2008 Tesla hämmästytti alan tarkkailijoita rohkealla, sähköisellä Roadster-autollaan, joka kulki hyllyn ulkopuolisilla litiumioniakkuilla (Li-ion), jollaisilla saa virtaa kaikkeen älypuhelimista kannettaviin tietokoneisiin, kameroihin ja leluihin. Sen jälkeen paitsi sähköautojen markkinat ovat nopeasti kasvaneet, myös niitä käyttävien akkujen keskimääräinen kantama. Kasvun on kuitenkin nopeututtava: vuodesta 1994 tyypillisen Li-ion-akun energiasisällön kolminkertaistaminen kesti 20 vuotta.

professorien Gunwoo Kimin ja Clare Greyn johtamassa uudessa tutkimuksessa kokeiltiin Li-air-soluja, jotka käyttävät Li-ioniakussa tyypillisesti käytettävän metallioksidin sijaan vain elektronijohdinta, kuten kevyttä, huokoista hiiltä. Käytännössä tämä säästää paljon painoa, mutta tuo omat vaikeutensa.

miten litium-ilma-akut toimivat

Li-ilma-kenno luo jännitteen happimolekyylien (O2) saatavuudesta positiivisella elektrodilla. O2 reagoi positiivisesti varautuneiden litiumionien kanssa muodostaen litiumperoksidia (Li2O2) ja tuottaa sähköenergiaa. Elektrodista vedetään elektroneja ulos ja tällainen akku on tyhjä (purkautunut), jos Li2O2: ta ei enää muodostu.

Mainostoimisto

teoriassa Li-ilma-akku on tyhjä (purkautunut), kun positiivisen elektrodin kaikki huokoset (oikealla puolella) on täytetty litiumperoksidilla, joka on esitetty tässä täyte ylhäältä alas. Tekijä edellyttäen

kuitenkin, Li2O2 on erittäin huono elektronijohtaja. Jos elektrodin pinnalle kasvaa li2o2: n kerrostumia, jotka toimittavat reaktion elektronit, se vaimentaa ja lopulta tappaa reaktion ja siten akun virran. Tämä ongelma voidaan voittaa, jos reaktiotuote (tässä tapauksessa litiumperoksidi) varastoidaan lähelle elektrodia, mutta ei päällystä sitä.

mainostaminen

Cambridgen tutkijat löysivät reseptin, joka tekee juuri niin – käyttämällä tavallista elektrolyyttiseosta ja lisäämällä litiumjodidia (LI) lisäaineena. Ryhmän kokeeseen kuuluu myös melko sienimäinen, pörröinen elektrodi, joka on tehty monista ohuista grafeenikerroksista, jotka ovat täynnä suuria huokosia. Viimeinen tärkeä ainesosa on pieni määrä vettä.

tällä kemikaaliyhdistelmällä reaktio akun purkautuessa ei muodosta Li2O2: ta, joka kiihdyttäisi elektrodin johtavaa pintaa (katso kuva alla, vasen puoli). Sen sijaan se sisältää vedestä riisuttua vetyä (H2O) muodostaen litiumhydroksidin (LiOH) kiteitä. Nämä kiteet täyttävät huokosten koon pörröisessä hiilielektrodissa, mutta ratkaisevasti ne eivät päällysty ja estä elintärkeää hiilipintaa, joka tuottaa jännitteen (oikealla puolella). Joten litiumjodidin läsnäolo “fasilitaattorina” (vaikka sen tarkka rooli ei ole vielä selvä) ja vesi rinnakkaisreaktanttina prosessissa lisäävät Li-air-akun kapasiteettia.

mainostaminen

li-ilma-akut litiumperoksidilla (vasemmalla, tukkien hiilielektrodin) ja litiumhydroksidilla (oikealla, elektrodin sulkematta) purkaustuotteina. Huomaa, että elektrodin huokosrakennetta ei piirretä yksinkertaisuuden vuoksi. Kirjoittaja esitti

miten Li-Air muuttaa asioita?

Tämä prosessi, joka varmistaa elektrodipinnan pysymisen kirkkaana, on välttämätön akun kapasiteetin lisäämiseksi. Haittapuolena on kuitenkin se, että elektrodin ja purkaustuotteen välisen sähköisen kosketuksen puute, joka lisää sen kapasiteettia, pitäisi periaatteessa vaikeuttaa lataamista.

mainostaminen

jälleen käy ilmi, että litiumjodidilisäaine on puuttuva tarvittava ainesosa: elektrodissa negatiivisesti varautuneet jodidi-ionit muuttuvat I3 (trijodidi) – ioneiksi (katso kuva, oikealla puolella). Nämä yhdistyvät LiOH kiteet ja liukenevat, jolloin täydellinen ladata tyhjentämällä huokoset.

lataavat Li-ilma-akut. Vasemmalla: litiumperoksidi on poistettava hiilipinnasta. Oikealla: jodidin ja trijodin sykli, jossa trijodidi liuottaa kemiallisesti litiumhydroksidia vapauttaen alkuaineet, jotta ne voidaan yhdistää uudelleen sähkön tuottamiseksi. Kirjoittaja esitti

mainostaminen

itse asiassa tämä mekanismi on jopa tehokkaampi kuin elektrodin pintaan kiinnitetty li2o2: n lataus. Koska elektronien ei tarvitse kulkea Li2O2-kerroksen läpi, li-air-akun lataamiseen jodilisäaineella tarvitaan vähemmän jännitettä kuin ilman sitä. Akun lataamiseen tarvitaan siis vähemmän energiaa, mikä tekisi tällaisella Li-air-akulla kulkevasta sähköautosta energiatehokkaamman. Tutkimuksen tekijät esittelevät tietoja, jotka lähestyvät noin 90 prosentin energiatehokkuutta – mikä tuo tämän uuden akkuteknologian lähelle perinteisten Li-ion-akkujen hyötysuhdetta.

heidän havaintonsa paljastavat lupaavan tien Li-air-teknologialle aikana, jolloin monet muut tutkimusryhmät ovat luovuttaneet. Kun useammat tutkijat palaavat aiheeseen tämän läpimurron jälkeen, ehkä kaupallinen Li-air-akku vihdoin toteutuu.

mainostus

Harry Hoster, Energy Lancasterin johtaja ja Lancasterin yliopiston fysikaalisen kemian professori

Tämä artikkeli on alun perin julkaistu The Conversationista. Lue alkuperäinen artikkeli.

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.