Piin käyttö Li-Ion-akkujen anodissa on ollut tutkijoiden haasteena pitkään, johtuen piin muutoksista lataus- ja purkuvaiheissa. Yhdysvaltalaisen Drexelin yliopiston ja Trinity Collegen tutkimukset Irlannissa viittaavat siihen, että piin käyttö litiumioniakkujen anodissa olisi mahdollista MXene-nimisen materiaalin avulla.
Tutkimuksen mukaan ratkaisu voisi pidentää Li-Ion-akkujen käyttöiän jopa viisinkertaiseksi. Se on mahdollista, koska kaksiulotteinen MXene-materiaali kykenee estämään piianodin laajenemisen rikkoutumispisteeseen latauksen aikana. Tämä on ollut suurin este piianodin käyttämisen tiellä.
Drexel- ja Trinity-ryhmän menetelmä muodostaa anodin, jossa MXenen nanoarkit muodostavat verkon samalla, kun ne kääriytyvät piipartikkeleiden ympärille. Näin ne toimivat samaan aikaan sekä johtavana lisä- että sideaineena.
MXene-materiaalin kaksiulotteisuus tuottaa myös ioneille enemmän tilaa, joten ne voivat liikkua nopeammin sisään ja ulos. Niillä on myös erinomainen mekaaninen lujuus, joten pii-MXene-anodit ovat myös kestäviä jopa 450 mikronin paksuuteen asti.
Tutkijoiden mittausten mukaan anodinäytteiden litiumionikapasiteetti oli suurempi kuin nykyisissä akuissa käytetyissä grafiitti- tai pii-hiili-anodeissa. Lisäksi johtavuus oli noin 100 - 1000 kertaa korkeampi kuin tavanomaisilla pii-anodeilla, kun niihin lisätään MXeneä.
Tutkijoiden mukaan MXene-anodien valmistus lieteprosessin avulla on helposti skaalattavissa minkä tahansa kokoisten anodien massatuotantoon.
Myös kansainvälinen korealaisessa UNIST-yliopistossa toiminut tutkijaryhmä on kehitellyt piipohjaista anodimateriaalia. UNISTissa piianodi on järjestetty korallimaiseen muotoon. Professori Soojin Park ja hänen tutkimusryhmänsä havaitsivat, että uusi materiaali pystyy toimimaan hyvin jopa ultranopeissa latauskokeissa sekä erilaisissa testianodeissa.
Tutkijoiden elektrodisuunnitelma luo kolmiulotteisen verkon, jossa huokoiset piin nanoputket parantavat elektronin kuljetusta koko elektrodissa. Lisäksi rakenteen erilaiset makrohuokoset tuottavat kanavia nopealle ioniliikenteelle. Edelleen yhtenäinen ja ohut hiilikerrospäällystys pienentää rakenteen resistanssia ja tarjoa esteen ei-toivotun sakeutumisen pysäyttämiseksi ja pii-nanorakenteiden tilavuusmuutoksen mukauttamiseksi, selvittää suunnittelua tutkimuspaperin ensimmäinen kirjoittaja, tohtori Bin Wang.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 13.3.2019
