Tutkijat ovat löytäneet mangaanin kemiallisen tilan, joka mahdollistaa tehokkaan ja edullisen natriumioniakun valmistamisen. Jo 90 vuotta sitten ehdotettu idea pystyy nopeasti ja tehokkaasti varastoimaan ja jakamaan aurinkopaneeleiden ja tuuliturbiinien tuottaman energian sähköverkon yli.
Tutkimukseen osallistui Berkeley Labin ja New Yorkin yliopiston tutkijoita ja se tehtiin kalifornialaisen Natron Energyn akuilla. Testiin toimitetuilla akuilla on epätavallinen anodimuoto. Se koostuu aineseoksesta, joka sisältää mangaania, hiiltä ja typpeä.
Tyypillisesti litiumioni- ja natriumioniakuissa anodi on hiilipohjainen, mutta tässä tapauksessa akun molemmat elektrodit käyttävät samantyyppisiä materiaaleja eli siirtymämetalleja. Ne ovat kemiallisesti käyttökelpoisia, koska ne voivat esittää erilaisia varautuneita tiloja. Katodi sisältää kuparia, typpeä, hiiltä ja rautaa.
- Erittäin mielenkiintoinen osa tässä on se, että molemmat elektrodit perustuvat siirtymämetallien kemikaaleihin samantyyppisissä materiaaleissa, katodilla raudalla ja anodilla erityisellä mangaanikemikaalilla, tutkijat kertovat.
- Yksi tästä seuraava hyöty on, että kumpikaan näistä elektrodeista ei periaatteessa rajoita laitteen kykyä, käyttöikää tai kustannuksia, toteaa Natron Energyn toimitusjohtaja Colin Wessells. Wessells lisää, että akku on erittäin vakaa, sen materiaalit ovat yleisiä ja kokonaiskustannukset ovat kilpailukykyisiä perinteisten lyijyakkujen kanssa ja niillä on vähemmän ympäristövaikutuksia kuin perinteisillä akuilla.
Akku tarjoaa vaihtoehdon sähköverkon painovoimaisille energian varastointijärjestelmille, joissa vesi pumpataan ylös ja vapautetaan sitten alas sähkön kysynnän myötä.
Avain siihen miten akku saavuttaa hyvän suorituskykynsä, on kuitenkin hämmentynyt tutkijoita. Vuonna 1928 Saksassa julkistetussa artikkelissa spekuloitiin, että mangaani voisi esiintyä niin sanotussa "1-plus-" tai "yksiarvoisessa" tilassa, mikä tarkoittaa tila jossa mangaaniatomi menettää vain yhden elektronin. Tyypillisesti mangaaniatomien tiedetään luovuttavan kaksi tai useamman elektronin tai ei ollenkaan kemiallisissa reaktioissa, mutta ei vain yhtä.
Tällainen uusi kemiallinen tila mahdollistaisi jännitealueen, joka on hyödyllinen akun anodeille. Tällaista monovalenttisen mangaanin muodon vahvistavia mittauksia ei kuitenkaan ole tehty.
Natron Energyn tutkijat tutkivat Berkeley Labin erikoislaitteilla akkua. Ensin tulokset olivat tavanomaisempia, mutta aivan uudenlaiseen IRIXS-tekniikalla yksiarvoinen mangaani löytyi. Ilmeni myös, että mangaani-1-plus käyttäytyy hyvin samalla tavoin kuin 2-plus-tila tavanomaisissa spektroskopiamittauksissa, minkä vuoksi sitä oli vaikea havaita näiden monien vuosikymmenien ajan.
Natron Energyn testattuihin akkuihin perustuvat kaupalliset prototyypit ovat jo menneet asiakkaiden beetatestaukseen, kertoo Wessells. Jakeluverkkosovellusten lisäksi Natron Energy panostaa tietokonekeskusten hätätehon teknologiaan sekä raskaisiin laitteisiin, kuten sähkötrukkeihin.
Berkeley Labin Wanli Yang kommentoi, että uudessa tutkimuksessa ratkaistu kemikaalien palapeli voisi innostaa muita etsimään uusia akkuelektrodeja. - Akun toiminta voisi ajaa epätyypillisten kemiallisten tilojen syntymistä, joita ei ole perinteisessä ajattelussa. Tämä perustavanlaatuinen ymmärrys voisi aiheuttaa muita uusia muotoja ja avata silmämme tavanomaisen elektrodimateriaalien viisauden yli, hän totesi.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 9.3.2018
