Texas A&M Universityn kemian tekniikan professori Jodie Lutkenhaus on esitellyt tutkimustyössään merkittävä askeleita kohti kokonaan polymeereistä valmistetun akun luomista. Suurin este metallittoman, täysin polymeerisen akun luomiselle on sellaisen polymeerin löytäminen, joka on sähkökemiallisesti aktiivinen eli sen täytyy pystyä varastoimaan ja vaihtamaan elektroneja.
Lutkenhaus yhdessä tutkijaryhmän kanssa ajattelee, että orgaaniset radikaalipolymeerit tekevät tarvittavan tempun. Kemiallisen rakenteensa ansiosta orgaaniset radikaalipolymeerit ovat hyvin stabiileja ja reaktiivisia.
Kuten oheisesta kuvasta ilmenee, orgaanisilla radikaalipolymeereillä on yksi elektroni radikaaliryhmässä. Tämä parittamaton elektroni sallii nopean varauksen siirron näissä polymeereissä redoksireaktioiden aikana. Lutkenhausin mukaan tämän polymeeriluokan suurin vetovoima on reaktion nopeudessa.
- Nämä polymeerit ovat erittäin lupaavia akkuja ajatellen, koska ne voidaan ladata ja purkaa nopeammin kuin mitä tahansa puhelimen tai vastaavan laitteen yleistä akkua. Tällainen nopea lataus voisi muuttaa dramaattisesti sähköajoneuvojen nykyistä käyttötapaa.
Orgaanisten radikaalipolymeerien redoksiaktiiviset ominaisuudet ovat olleet jo jonkin aikaa tunnettuja. Ennen tätä tutkimusta ei kuitenkaan ole kuvattu tarkkaa mekanismia, jolla elektronit ja ionit kuljetetaan polymeerin läpi.
Osittain näiden reaktioiden laajuus ja nopeus vaikeuttavat luotettavien tietojen keräämistä. Lutkenhaus ja hänen tiiminsä pystyivät kuitenkin ottamaan uskomattoman yksityiskohtaisia mittauksia erikoislaiteillaan.
Lutkenhaus selittää kokeellista mittausta: - Kun varaamme ja purkaamme polymeerin, jota me itse asiassa punnitsemme sen. Tiedämme näin nanogrammojen tarkkuudella, kuinka paljon se painaa. Laite on niin herkkä, että voimme mitata ioneja, jotka menevät sisään ja ulos orgaanisesta radikaalipolymeeristä.
Mittaustulokset johtivat hieman odottamattomiin tuloksiin. Ennen tätä tutkimusta konsensus oli, että tässä prosessissa kuljetettiin vain anioneja. Tulokset kuitenkin osoittavat, että myös litiumioneja siirtyy. Lisäksi ionien käyttäytyminen ja kuljetus tuntuu olevan enemmän riippuvaisia elektrolyytistä kuin itse polymeeristä.
Tämän syvemmän ymmärryksen taustalla olevista prosesseista Lutkenhaus suunnittelee tarkempaa tutkimusta elektrolyyttipolymeerien vuorovaikutuksia.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 4.2.2019
