Akkutekniikan kehitys on vahvasti sidoksissa materiaalitekniikan kehitykseen. Uusien tutkimustekniikoiden avulla voidaan tutkia yhä syvällisempiä akun ilmiöitä erilaisilla materiaaliyhdistelmillä. Viimevuosien suosittu tutkimusaihe alalla on ollut superioniset kiteet. Ne ovat eräänlainen yhdistelmä nestettä ja kiinteän ainetta.
Duken yliopiston, Oak Ridge National Laboratoryn (ORNL) ja Argonne National Laboratoryn (ANL) voimin on tutkittu superionisia kiteitä, jotka sisälsivät kuparia, kromia ja seleeniä (CuCrSe2), neutroni- ja röntgensäteiden avulla.
- Kun CuCrSe2 kuumennetaan yli 88 Celsius-asteen, sen kupari-ionit kulkevat kromin ja seleenin kerrosten sisällä yhtä nopeasti kuin nestemäiset vesimolekyylit. Ja kuitenkin se on silti niin vankka, että voisit pitää sitä kädessäsi, toteavat tutkijat.
Aihe on vielä perustutkimusta mutta johdattelee akkujen elektrolyyttien vaihtumista enemmän kiinteäksi aineeksi.
Myös Karlsruhe Institute of Technologyn (KIT) tutkijoiden johdolla tehdyn tutkimuksen mukaan uusilla materiaaleilla voidaan huomattavasti parantaa akkujen varastointikykyä ja toimintavakautta.
Näiden materiaalien joukossa ovat esimerkiksi korkean entropian oksidit (HEO), joiden vakaus johtuu perusaineiden epäsäännöllisestä jakautumisesta. Vakautensa ansiosta tämän materiaaliluokan (HEO) odotetaan johtavan merkittäviin parannuksiin. Tutkimus on ensimmäinen, jonka mukaan HEO soveltuu käytettäväksi palautuvan litiumvarastoinnin muunnosmateriaaliksi.
Entropialtaan vakaat HEO:t ovat monimutkaisia oksideja, jotka sisältävät viisi tai useampia eri metallikationeja samoja määriä ja jotka osoittavat yksifaasista kiderakennetta. Vaikka alkuaineiden tyypilliset kiderakenteet eroavat toisistaan huomattavasti, ne muodostavat yhteisen hilan ja jakautuvat kidepaikkoihin ilman ilmeistä järjestystä. Juuri tämä epäjärjestys, jota kutsutaan myös korkeaksi entropiaksi, stabiloi materiaalin, luultavasti siksi, että se heikentää häiriöiden siirtymistä hilaan.
- Tutkimuksemme on osoittanut, että entropiastabiloitunut HEO eroaa merkittävästi klassisista muunnosmateriaaleista. Jotta voitaisiin avata niiden täysi potentiaali energian varastointisovelluksiin, on kuitenkin tehtävä lisätutkimuksia, toteaa KIT:n professori Horst Hahn.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 13.11.2018
