Grazin teknisen yliopiston tutkijat ovat löytäneet keinon pysäyttää reaktiivisen singlettihapen muodostuminen litium-happiakuissa, minkä ansiosta niiden käyttöikää voidaan pidentää. Tutkijat Stefan Freunberger on kehittänyt uuden sukupolven akkujen suorituskykyä ja pidempää käyttöikää ja ne ovat myös halvempia tuottaa kuin nykyiset mallit.

Vuonna 2017 Freunberger paljasti työssään elävän organismin solun ja akkukennon välisen ikääntymisen yhtäläisyyden. Molemmissa tapauksissa hyvin reaktiivinen singlettihappi on vastuussa ikääntymisprosessista.

Tämä hapen muoto syntyy litium-happiakkujen latauksessa tai niitä purettaessa. Nyt hän on löytänyt keinoja minimoida singlettihapen negatiiviset vaikutukset.

Avain saavutettavaan energiatehokkuuteen on vakailla redox-välittäjillä. Niillä on elintärkeä rooli elektronien kulussa ulkoisen piirin ja varausmateriaalin välillä happiakuissa ja niillä on merkittävä vaikutus myös suorituskykyyn. Välittäjien periaate on lainattu luonnosta, jossa ne ovat vastuussa monista erilaisista toiminnoista elävissä soluissa.

- Tähän asti oletettiin, että superoksidit ja peroksidit deaktivoivat redox-välittäjät. Kokeemme ovat kuitenkin osoittaneet, että tämä johtuukin singlettihapen toiminnasta, Freunberger toteaa.

Seuraava askel Freunbergerin tutkimuksessa edellyttää hänen havaintojensa yhdistämistä ja uuden välittäjäryhmän kehittämistä. Näiden tulisi olla erityisen vastustuskykyisiä singlettihapen hyökkäykselle ja myös torjua sitä tehokkaasti suorittamalla sammutustoiminto. Tämä lisäisi dramaattisesti litium-happiakkujen käyttöikää ja maksimoi energiatehokkuuden.

Ohio State Universityn tutkijat ovat puolestaan rakentaneet tehokkaamman ja luotettavamman kalium-happiakun, joka on askel kohti mahdollisia ratkaisuja energian varastointiin sähköverkoissa ja kestävämpiä akkuja matkapuhelimissa ja kannettavissa tietokoneissa.

Kalium-happiakut ovat olleet mahdollisia vaihtoehtoja energian varastoinnille siitä lähtien kun ne keksittiin vuonna 2013. Ohio Staten tutkijaryhmä osoitti, että akut voivat olla tehokkaampia kuin litium-happiakut: niihin voidaan varastoida noin kaksi kertaa enemmän energiaa kuin olemassa oleviin litiumioniakkuihin.

Kalium-happipareja ei ole käytetty laajasti energian varastointiin, koska niiden uudelleenvarauskyky on riittänyt vain viiteen tai kymmeneen varauskertaan. Heikkeneminen johtui hapen hiipimisestä akun anodiin ja aiheutti siten sen heikkenemisen.

Tutkija Paul Gilmore ryhtyi sisällyttämään polymeerejä katodiin nähdäkseen, voisiko näin suojata anodia hapelta. Tutkimuksissa havaittiin, että turvotuksella polymeerissä oli keskeinen rooli sen suorituskyvyssä.

Johtavasta polymeeristä valmistettu kerros mahdollistaa kaliumionien liikkumisen koko katodin läpi, mutta rajoittaa molekyylihappea pääsemästä anodiin.

Ratkaisun ansiosta akku voidaan ladata vähintään 125 kertaa. Tämä nostaa niiden eliniän yli 12 kertaa aiempaa pidemmäksi.

Veijo Hänninen
Nanobittejä 21.5.2019