Kumin odotetaan korvaavan perinteiset materiaalit, ja siitä tulee avainmateriaali seuraavan sukupolven solid-state-akuissa

Jotta sähköajoneuvot (EV) yleistyisivät, ne tarvitsevat kustannustehokkaita, turvallisempia ja pidempään kestäviä akkuja, jotka eivät räjähdä tai vahingoita ympäristöä käytön aikana. Georgia Institute of Technologyn tutkijat ovat saattaneet löytää lupaavan vaihtoehdon perinteisille litiumioniakuille:kumi.

Elastomeereja tai synteettistä kumia käytetään laajalti kulutustuotteissa ja kehittyneissä teknologioissa, kuten puettavassa elektroniikassa ja pehmeissä roboteissa niiden erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien vuoksi. Tutkijat havaitsivat, että kun materiaali muotoillaan 3D-rakenteeksi, se toimii supervaltatienä nopealle litiumionien kuljetukselle, ja sillä on ylivoimainen mekaaninen sitkeys, jonka ansiosta akut latautuvat pidempään ja kulkevat pidemmälle. Tutkimus tehtiin yhteistyössä Korea Advanced Institute of Science and Technology -instituutin kanssa, ja se on julkaistu Nature-lehdessä.

Perinteisessä litiumioniakussa nestemäinen elektrolyytti siirtää ioneja. Tällaiset akut ovat kuitenkin luonnostaan ​​epävakaita: pienimmätkin vauriot voivat vuotaa elektrolyytteihin ja johtaa räjähdykseen tai tulipaloon. Turvallisuusongelmat ovat pakottaneet teollisuuden keskittymään solid-state-akkuihin, jotka voidaan valmistaa käyttämällä epäorgaanisia keraamisia materiaaleja tai orgaanisia polymeerejä.
"Useimmat teollisuudenalat keskittyvät epäorgaanisten kiinteiden elektrolyyttien rakentamiseen. Mutta niitä on vaikea valmistaa, kalliita eivätkä ympäristöystävällisiä", sanoo Seung Woo Lee, apulaisprofessori George W. Woodruff School of Mechanical Engineeringistä, joka oli osa tutkimusryhmää. joka havaitsi kumipohjaisen orgaanisen polymeerin muita materiaaleja paremman. Kiinteät polymeerielektrolyytit herättävät edelleen suurta kiinnostusta niiden alhaisten valmistuskustannusten, myrkyttömien ja pehmeiden ominaisuuksiensa vuoksi. Perinteisillä polymeerielektrolyyteillä ei kuitenkaan ole riittävää ioninjohtavuutta ja mekaanista stabiilisuutta, jotta ne varmistaisivat solid-state-akkujen luotettavan toiminnan.
Uusi 3D-suunnittelu tuo harppauksen energiatiheyteen ja suorituskykyyn
Georgia Techin insinöörejä käytettiinkumielektrolyytit yleisten ongelmien ratkaisemiseksi (hidas litiumionien kuljetus ja huonot mekaaniset ominaisuudet). Tärkein läpimurto oli sallia materiaalien muodostaa kolmiulotteisia (3D) toisiinsa liittyviä muovikiteisiä faaseja lujassa kumimatriisissa. Tämä ainutlaatuinen rakenne tuo korkean ioninjohtavuuden, erinomaiset mekaaniset ominaisuudet ja sähkökemiallisen stabiilisuuden.
Kumielektrolyytti voidaan valmistaa matalissa lämpötiloissa yksinkertaisella polymerointiprosessilla, joka tuottaa kiinteän ja sileän rajapinnan elektrodin pinnalle. Nämä kumielektrolyytin ainutlaatuiset ominaisuudet estävät litiumdendriittien kasvun ja mahdollistavat ionien nopeamman liikkeen, mikä mahdollistaa solid-state-akkujen luotettavan toiminnan jopa huoneenlämmössä.
Kumi, jota käytetään kaikkialla sen korkeiden mekaanisten ominaisuuksiensa vuoksi, mahdollistaa halvempien, luotettavampien ja turvallisempien akkujen valmistamisen. Suurempi ioninjohtavuus tarkoittaa, että voit siirtää enemmän ioneja samanaikaisesti, ja lisäämällä näiden akkujen ominaisenergiaa ja energiatiheyttä voit lisätä sähköajoneuvon kantamaa.

Tutkijat etsivät nyt tapoja parantaa akun suorituskykyä lisäämällä sen sykliaikaa ja lyhentämällä latausaikaa paremman ioninjohtavuuden ansiosta. Toistaiseksi heidän ponnistelunsa ovat johtaneet kahteen parannukseen akun suorituskyvyssä/sykliajassa.

Tämä työ voisi parantaa Georgian mainetta sähköajoneuvojen innovaatiokeskuksena. SK Innovation, maailmanlaajuinen energia- ja petrokemian yritys, rahoittaa elektrolyyttimateriaalien lisätutkimusta osana jatkuvaa yhteistyötään instituutin kanssa rakentaakseen seuraavan sukupolven solid-state-akkuja, jotka ovat turvallisempia ja energiaintensiivisempiä kuin perinteiset litiumioniakut. SK Innovation ilmoitti äskettäin rakentavansa uuden sähköajoneuvojen akkutehtaan Commerceen, Georgiaan, jonka odotetaan tuottavan 21,5 gigawattituntia litiumioniakkuja vuodessa vuoteen 2023 mennessä.
Täysin solid-state-akut voivat parantaa huomattavasti sähköajoneuvojen ajokilometrejä ja turvallisuutta. Nopeasti kasvavat akkuyritykset, mukaan lukien SK Innovation, näkevät solid-state-akkujen kaupallistamisen pelin vaihtajana sähkömarkkinoille. Kyounghwan Choi, SK Innovationin seuraavan sukupolven akkututkimuskeskuksen johtaja, sanoi: "Täysin solid-state-akkujen nopeaan käyttöön ja kaupallistamiseen on suuria toiveita meneillään olevan projektin kautta yhteistyössä SK Innovationin ja Georgia Instituten professori Seung Woo Leen kanssa. tekniikasta."