Sõltumata jõudlusest, kuludest või ohutuskaalutlustest on tahkis-laetavad akud parim valik fossiilenergia asendamiseks ja lõpuks uute energiasõidukite leidmiseks.
Katoodmaterjalide, nagu LiCoO2, LiMn2O4 ja LiFePO4, leiutajana on Goodenough hästi tuntudliitium-ioonakudja on tõesti "liitiumioonakude isa".
Hiljutises ajakirjas NatureElectronics avaldatud artiklis annab 96-aastane John B. Goodenough ülevaate taaslaetava liitiumioonaku leiutamise ajaloost ja näitab teed edasi.
1970. aastatel puhkes USA-s naftakriis. Mõistes oma liigset sõltuvust naftaimpordist, alustas valitsus suuri jõupingutusi päikese- ja tuuleenergia arendamiseks. Päikese- ja tuuleenergia vahelduva iseloomu tõttulaetavad akudlõpuks oli neid taastuvate ja puhaste energiaallikate säilitamiseks vaja.
Pöörduva laadimise ja tühjendamise võti on keemilise reaktsiooni pöörduvus!
Sel ajal kasutas enamik mittelaetavaid akusid liitium-negatiivseid elektroode ja orgaanilisi elektrolüüte. Taaslaetavate akude saavutamiseks hakkasid kõik tegelema liitiumioonide pööratava sisestamisega kihilistesse siirdemetallide sulfiidkatoodidesse. Stanley Whittingham ettevõttest ExxonMobil avastas, et pööratavat laadimist ja tühjenemist saab saavutada interkalatsioonikeemia abil, kasutades katoodimaterjalina kihilist TiS2 ja tühjendusproduktiks on LiTiS2.
See Whittinghami poolt 1976. aastal välja töötatud element saavutas hea esialgse efektiivsuse. Pärast mitut laadimise ja tühjenemise kordamist tekkisid raku sees aga liitiumdendriidid, mis kasvasid negatiivsest positiivseks elektroodiks, tekitades lühise, mis võib elektrolüüdi süüdata. See katse lõppes taas ebaõnnestumisega!
Samal ajal uuris Oxfordi kolinud Goodenough, kui palju liitiumit saab kihilisest LiCoO2 ja LiNiO2 katoodimaterjalidest enne struktuuri muutumist maksimaalselt eemaldada. Lõpuks saavutasid nad enam kui poole liitiumi katoodimaterjalist pööratava eemaldamise.
See uurimus ajendas lõpuks AsahiKaseist pärit Akira Yoshinot esimest ette valmistamalaetav liitium-ioonaku: LiCoO2 kui positiivne elektrood ja grafiit süsinik kui negatiivne elektrood. Seda akut kasutati edukalt Sony kõige varasemates mobiiltelefonides.
Kulude vähendamiseks ja ohutuse parandamiseks. Täiesti tahke laetav aku koos tahke elektrolüüdiga näib olevat oluline edasise arengu suund.
Juba 1960. aastatel töötasid Euroopa keemikud liitiumioonide pöörduva sisestamise kallal kihilistesse siirdemetallide sulfiidmaterjalidesse. Sel ajal olid laetavate akude standardsed elektrolüüdid peamiselt tugevad happelised ja aluselised vesielektrolüüdid nagu H2SO4 või KOH. Kuna nendes veepõhistes elektrolüütides on H+ hea difusioonivõime.
Sel ajal valmistati kõige stabiilsemad laetavad akud, mille katoodmaterjaliks oli kihiline NiOOH ja elektrolüüdiks tugev leeliseline vesielektrolüüt. h+ saab pööratavalt sisestada kihilisele NiOOH-katoodile, moodustades Ni(OH)2. probleem oli selles, et veepõhine elektrolüüt piiras aku pinget, mille tulemuseks oli madal energiatihedus.
1967. aastal avastasid Joseph Kummer ja NeillWeber Ford Motor Companyst, et Na+-l on head difusiooniomadused keraamilistes elektrolüütides temperatuuril üle 300°C. Seejärel leiutasid nad taaslaetava Na-S aku: negatiivse elektroodina sulatatud naatrium ja positiivse elektroodina sulanud väävlit sisaldavad süsinikuribad. Selle tulemusel leiutasid nad taaslaetava Na-S aku: negatiivse elektroodiks oli sula naatrium, positiivse elektroodina süsinikriba sisaldav sula väävel ja elektrolüüdina tahke keraamika. Kuid 300 °C töötemperatuur määras selle aku turustamise võimatuks.
1986. aastal realiseeris Goodenough NASICONi abil täielikult tahkis-laetava liitiumaku ilma dendriiti tekitamata. Praegu on turustatud tahkis-laetavad liitium- ja naatriumakud, mis põhinevad tahkiselektrolüütidel, näiteks NASICON.
2015. aastal demonstreeris MariaHelena Braga Porto ülikoolist ka isoleerivat poorset oksiidist tahket elektrolüüti, mille liitiumi- ja naatriumioonide juhtivus on võrreldav praegu liitiumioonakudes kasutatavate orgaaniliste elektrolüütidega.
Lühidalt, olenemata jõudlusest, kuludest või ohutuse kaalutlustest, on tahkis-laetavad akud parim valik fossiilenergia asendamiseks ja lõpuks tee uute energiasõidukiteni jõudmiseks!
Postitusaeg: 25. august 2022