Litiumioniakkuja käytetään laajalti sähköajoneuvoissa ja älypuhelimissa, koska ne ovat kevyitä, luotettavia ja energiatehokkaita. Niiden latausajat ovat kuitenkin hitaita, eivätkä ne kestä suuria virtapiikkejä. Viimeaikaisessa tutkimuksessa Cornell Engineering -tiimi kehitti litium-EV-akun, joka latautuu täyteen 5 minuutissa. Yhden tällaisen pikalatausakun prototyyppi.
Cornell Engineering -tiimi kehitti uuden litiumakun. Se latautuu alle viidessä minuutissa , nopeammin kuin mikään muu saatavilla oleva akku. Se säilyttää myös vakaan suorituskyvyn latauksen ja purkauksen aikana pitkän ajan kuluessa. Tämä tuore löytö saattaa helpottaa kuljettajien toimintasädepelkoa . Heidän huolensa sähköajoneuvojen rajallisesta toimintasäteestä ja pitkien latausaikojen haitoista vähenisi.
Tutkijat havaitsivat, että indiumilla, pehmeällä metallilla, jota käytetään yleisesti kosketusnäytöissä ja aurinkopaneeleissa, on poikkeuksellisen suuri potentiaali nopeasti latautuvien akkujen materiaalina. Tämä johtuu sen luontaisista nopeista puolijohdekuljetusnopeuksista ja alhaisista Damköhler-määristä. Lisäksi indium toimii loistavana vaihtoehtona lyijylle matalan lämpötilan juotteessa.
Projektin johtaja, Cornell Engineeringin dekaani, professori Lynden Archer , sanoi: ”Ajomatkan aiheuttama pelko on suurempi este liikenteen sähköistämiselle kuin mikään muu este, kuten akkujen hinta ja kapasiteetti, ja olemme tunnistaneet keinon sen poistamiseksi käyttämällä järkeviä elektrodisuunnitteluja.”
Professori Archer lisäsi: ”Jos sähköauton akun voi ladata viidessä minuutissa, niin voi hyvänen aika, ei tarvitse akkua, joka on tarpeeksi suuri 300 kilometrin toimintasäteelle. Voi tyytyä pienempäänkin, mikä voisi alentaa sähköautojen hintaa ja mahdollistaa laajemman käyttöönoton.”
Tutkimuksen pääkirjoittaja, kemian ja biomolekyylitekniikan tohtoriopiskelija Shuo Jin , sanoi: ”Tavoitteenamme oli luoda akkuelektrodirakenteita, jotka latautuvat ja purkautuvat tavoilla, jotka sopivat yhteen päivittäisen rutiinin kanssa. Käytännössä haluamme elektronisten laitteidemme latautuvan nopeasti ja toimivan pitkiä aikoja. Tämän saavuttamiseksi olemme tunnistaneet ainutlaatuisen indium-anodimateriaalin, joka voidaan tehokkaasti yhdistää erilaisiin katodimateriaaleihin, jolloin saadaan aikaan akku, joka latautuu nopeasti ja purkautuu hitaasti .”
Process
Tutkijat omaksuivat uuden litiumparistonsa ainutlaatuisen lähestymistavan korostaen sähkökemiallisten reaktioiden kinetiikkaa. He käyttivät erityisesti kemiantekniikan käsitettä, joka tunnetaan nimellä Damköhlerin luku . Tämä käsite pohjimmiltaan mittaa kemiallisten reaktioiden nopeutta verrattuna materiaalien kulkeutumiseen reaktiopaikkaan.
Uusimmat tutkimukset osoittavat, että indiumilla on kaksi keskeistä ominaisuutta akun anodina. Ne ovat seuraavat:
- Poikkeuksellinen alhainen muuttoenergian este, joka määrittää nopeuden, jolla ionit diffundoituvat kiinteässä tilassa
- A kohtalainen vaihtovirran tiheys, mikä vaikuttaa nopeuteen, jolla ionit vähenevät anodissa.
Näiden ominaisuuksien, nopean diffuusion ja hitaan pintareaktiokinetiikan synergia on välttämätöntä nopean latauksen ja pitkäaikaisen säilytyksen kannalta.
Katso myös : Muokatuilla bakteereilla on keskeinen rooli mineraalien talteenotossa käytetyistä sähköauton akuista
Professori Archer sanoi: ”Keskeinen innovaatio on se, että olemme löytäneet suunnitteluperiaatteen, jonka avulla akun anodilla olevat metalli-ionit voivat liikkua vapaasti, löytää oikean konfiguraation ja vasta sitten osallistua varauksen varastointireaktioon. Lopputuloksena on, että jokaisessa lataussyklissä elektrodi on vakaassa morfologisessa tilassa. Juuri tämä antaa uusille pikalatausakuillemme kyvyn latautua ja purkautua toistuvasti tuhansien lataussyklien aikana.”
Litium-ioninen sähköautoakku, joka latautuu täyteen viidessä minuutissa, käyttää tätä teknologiaa yhdessä langattoman induktiolatauksen kanssa teillä. Tämä voisi merkittävästi pienentää akkujen kokoa ja kustannuksia . Se tekisi sähköisestä liikenteestä entistäkin toteuttamiskelpoisemman vaihtoehdon kuljettajille. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että indiumanodit olisivat täydellisiä tai käytännöllisiä.
”Vaikka tämä tulos on jännittävä siinä mielessä, että se opettaa meille, miten akkuja voidaan ladata nopeasti, indium on raskasta. Tässä piilee mahdollisuus laskennallisen kemian mallintamiseen, ehkä generatiivisten tekoälytyökalujen avulla, sen selvittämiseksi, millä muilla kevyiden materiaalien kemikaaleilla voitaisiin saavuttaa samat luonnostaan alhaiset Damköhlerin luvut. Onko esimerkiksi olemassa metalliseoksia, joita emme ole koskaan tutkineet ja joilla on halutut ominaisuudet? Siksi olen tyytyväinen siihen, että on olemassa yleinen periaate, jonka avulla kuka tahansa voi suunnitella paremman akkuanodin, joka saavuttaa nopeammat latausnopeudet kuin huipputeknologialla”, professori Archer lisäsi.
Lähde : Nopeasti latautuva litiumakku pyrkii poistamaan "toimintamatka-ahdistuksen"
