Litiumilma-akku

Kohteesta Wikipedia
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Litiumilma-akku (Li-O2) on metalli-ilma akku, joka käyttää litiumin hapettumista anodilla ja hapen pelkistymistä katodilla sähkövirran muodostamiseen.[1]

Toiminta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litiumilma-akun toiminta

Akussa on kolme osaa: anodi, katodi sekä elektrolyytti. Litium-ilma -akun anodi koostuu litiumista ja katodi litiumperoksidista (Li2O2) ja hiilen komposiitista. Litium-ionit toimivat varauksenkuljettajina ja katodilla reagoiva aine on happi. Reaktio (Li+ + e- + O2 -> LiO2) tuottaa litiumperoksidia. Elektrolyytti vaihtelee akun rakenteen mukaan. Näitä rakenteita ovat aproottinen, vesipohjainen, aproottisen ja vesipohjaisen yhdistelmä tai kiinteä.[2] Akun purkautumisen aikana anodin litium hapettuu, ja positiivisesti varautuneet litiumionit kulkevat elektrolyytin läpi katodiin, jossa ne reagoivat happimolekyylien kanssa. Katodiin muodostuu litium-oksidia ja litium-peroksidia.[3] Litium-ilma akkujen ominaisenergia/energiatiheys on laskettu teoreettisesti olevan 5,200Wh/kg tai 18 MJ/kg, kun happi lasketaan mukaan. Koska litium-ilma –akku ottaa happea ympäristöstään ja luovuttaa happea ympäristöönsä, ei ilmaa oteta huomioon ominaisenergiaa laskiessa. Tällöin teoreettinen ominaisenergia on 11,140Wh/kg tai 40,1 MJ/kg, joka on hyvin lähellä bensiiniä (noin 46 MJ/kg).[4][5]

Rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Elektrodit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litium-ilma -akkujen anodin valmistukseen käytetään litiumia.[6] Katodien valmistuksessa käytettäviksi materiaaleiksi on tutkittu useita hiilipohjaisia materiaaleja näiden erinomaisen sähkönjohtavuuden vuoksi, sekä metalleja ja näiden oksideja. Tutkittuihin metalleihin kuuluu mm. jalo- ja siirtymämetalleja sekä mangaanioksidi. Katodilla tulisi olla kestävä huokoinen rakenne, jotta reaktiopinta-ala olisi mahdollisimman suuri.[7] Litium-ilma -akuissa käytettäväksi katodiksi on kehitetty mangaanidioksidista valmistettua nanolankaa, jota on kasvatettu modifioidun M13 viruksen avulla. Tällä keinolla valmistetulla langalla saatiin aikaan piikikäs pinta, joka lisäsi reaktiopinta-alaa. Tämänlaisella elektrodilla kyettiin nostamaan akun kapasiteettia sekä elinikää.[8]

Elektrolyytti[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litium-ilma -akkujen elektrolyytin kehityksessä on keskitytty neljään eri tyyppiin, aproottisiin, vesipohjaisiin, kiinteisiin ja aproottisia sekä vesipohjaisia menetelmiä yhdistäviin elektrolyytteihin. Näistä jokaisessa on omat etunsa sekä haasteensa.

Aproottinen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aproottista elektrolyyttiä hyödyntävissä akuissa on etuna niiden uudelleenladattavuus ja korkea teoreettinen energiatiheys.[9] Näissä yleensä käytetään samoja etyleenikarbonaatti- ja propyleenikarbonaattiliuottimia kuin tavanomaisissa litiumioniakuissa, paitsi että nämä ovat hyytelömäisessä muodossa eivätkä nestemäisessä.[10] Ongelmana karbonaattiliuottimissa on näiden haihtuminen sekä hapettuminen latauksen aikana korkean ylijännitteen vuoksi.[11]

Vesipohjainen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vesipohjaiset litium-ilma -akut koostuvat litiummetallianodista, vesipohjaisesta elektrolyytistä ja huokoisesta katodista. Elektrolyytti koostuu veteen liotetuista litiumsuoloista. Tämän tyyppistä elektrolyyttiä hyödyntävissä akuissa ei ole ongelmaa, jossa katodi tukkeutuu sillä reaktiossa syntyvät tuotteet ovat vesiliukoisia.[12] Litiummetalli reagoi voimakkaasti veden kanssa, joten litium ja vesipohjainen elektrolyytti on erotettava toisistaan kiinteällä elektrolyytillä.[13]

Aproottisen ja vesipohjaisen yhdistelmä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aproottista ja vesipohjaista elektrolyyttiä yhdistävillä litium-ilma –akuilla pyritään yhdistämään molempien edut. Tämänkaltaiset akut ovat kaksiosaisia, joissa toinen osa on aproottinen ja toinen vesipohjainen. Nämä osat ovat erotettuna Li+ -johtavalla, yleensä keraamisella kalvolla. Anodi on yhteydessä aproottiseen osaan ja katodi vesipohjaiseen.[14][15]

Kiinteä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kiinteän olomuodon akuissa on litiumanodi, keraaminen tai lasinen elektrolyytti ja huokoinen hiilikatodi. Anodi ja katodi ovat tavallisesti erotettuna elektrolyytistä polymeeri/keraamisilla komposiittiaineilla, joka vahvistaa varauksen siirtoa anodilla. Heikkoutena kiinteän olomuodon akuissa on lasikeraamisten elektrolyyttien huono johtavuus.[16] Etuna on turvallisuus, sillä ne eivät vahingoittuessaan aiheuta tulipalon vaaraa.[17]

Käyttökohteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Litium-ilma akku tarjoaa teoriassa lähes saman ominaisenergian kuin bensiini, joten se on houkutteleva vaihtoehto autonvalmistajille.

Litium-ilma akut esiteltiin jo 1970-luvulla mahdollisena virtalähteenä sähköautoille, mutta materiaalitekniikan kehityksen myötä, sekä uusiutuvien energialähteiden kasvavan kysynnän seurauksena, ne saavuttivat mielenkiintoa vasta 2000-luvun loppupuolella.[18]

Teoriassa litium-ilma-akku voisi tarjota huomattavasti paremman tehon sähkömoottoreille kuin nykyiset ratkaisut. Metalli-ilma akut, erityisesti sinkki-ilma -akut, ovat saaneet huomiota niiden korkean energiatiheyden ansiosta. Teoreettinen ominaisenergiatiheys Li-O2 akulle on 100 kertaa korkeampi kuin litiumioniakuille.[19]

Haasteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaikkien akkujen perusongelmiin lukeutuvat: räjähdysvaara, lämpökarkaaminen, kestävyys, myrkyttömien sivutuotteiden syntyminen ladatessa/purettaessa sekä hinta. Myös litium-ilma -akkuja koskee useat näistä ongelmista. Akun reaktio tuottaa litium-peroksidia. Akku on tyhjä, kun kaikki positiivisesti varautuneet litiumionit ovat siirtyneet katodille, ja litiumperoksidia ei enää muodostu.[20] Reaktion tuotteena syntyvä litiumperoksidi on huono johde, joka kulkeutuu elektrodille muodostaen siihen pinnoitteen ja täten estäen reaktion jatkuvan toiminnan.[21] Cambridgessa tehty uusi tutkimus esittää mahdollisen ratkaisun edellä kuvailtuun ongelmaan. Yhdistämällä pieni määrä vettä ja litiumjodidia, saadaan aikaan litiumhydroksidia (LiOH). Elektrodi koostuu makrohuokoisesta grafeenista, joka kaappaa litiumhydroksidin ja täten estää sitä muodostamasta pinnoitetta. Litiumjodidi yhdistyy LiOH:n kanssa ja hajoaa, jonka johdosta grafeenin huokoset puhdistuvat. Tämä mahdollistaa täydellisen uudelleenlatauksen.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Badwal, Sukhvinder P. S.; Giddey, Sarbjit S.; Munnings, Christopher; Bhatt, Anand I.; Hollenkamp, Anthony F. (24 September 2014). "Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies". Frontiers in Chemistry 2. doi:10.3389/fchem.2014.00079
  2. Abraham K. M. , Jiang Z., “A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery”,J. Electrochem. Soc. 1996 volume 143, issue 1, 1-5, doi:10.1149/1.1836378 http://jes.ecsdl.org/content/143/1/1.full.pdf+html
  3. Zhong, Y. (December 3rd 2011). “Lithium-Air Batteries: An Overview”. Stanford University. Coursework for PH240. http://large.stanford.edu/courses/2011/ph240/zhong2/
  4. Abraham K. M. , Jiang Z., “A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery”,J. Electrochem. Soc. 1996 volume 143, issue 1, 1-5, doi:10.1149/1.1836378 http://jes.ecsdl.org/content/143/1/1.full.pdf+html
  5. Golnik A. (2003). “Energy density of gasoline”, The Physics Factbook http://hypertextbook.com/facts/2003/ArthurGolnik.shtml
  6. Pentland, W. (10/2015). “Lithium-Air battery breakthrough may mean game over for gasoline”. Forbes. http://www.forbes.com/sites/williampentland/2015/10/31/lithium-air-battery-breakthrough-may-mean-game-over-for-gasoline/#fc571bf5a008
  7. Ma, Z.; Yuan, X.; Li, L.; Ma, Z.; Wilkinson, D. P.; Zhang, L.; Zhang, J. (2015). "A review of cathode materials and structures for rechargeable lithium–air batteries". Energy & Environmental Science 8, 2144-2198. doi:10.1039/C5EE00838G
  8. Oh, D.; Qi, J.; Lu, Y. C.; Zhang, Y.; Shao-Horn, Y.; Belcher, A. M. (2013). "Biologically enhanced cathode design for improved capacity and cycle life for lithium-oxygen batteries". Nature Communications 4. doi:10.1038/ncomms3756
  9. Wang, J.; Li, Y.; Sun, W. (2013) "Challenges and opportunities of nanostructured materials for aprotic rechargeable lithium–air batteries". Nano Energy 2 (4): 443-467. doi:10.1016/j.nanoen.2012.11.014
  10. Imanishi, N.; Matsui, M.; Takeda, Y.; Yamamoto, O. (2014). "Lithium Ion Conducting Solid Electrolytes for Aqueous Lithium-air Batteries". Electrochemistry 82, 938–945. https://www.jstage.jst.go.jp/article/electrochemistry/82/11/82_14-E00050/_article
  11. Lu, J.; Amine, K. (2013). "Recent Research Progress on Non-aqueous Lithium-Air Batteries from Argonne National Laboratory". Energies 6, 6016-6044. http://www.mdpi.com/1996-1073/6/11/6016
  12. He, P.; Wang, Y.; Zhou, H. (2010). "A Li-air fuel cell with recycle aqueous electrolyte for improved stability". Electrochemistry Communications 12 (12): 1686. doi:10.1016/j.elecom.2010.09.025
  13. Kowalczk, I.; Read, J.; Salomon, M. (2007). "Li-air batteries: A classic example of limitations owing to solubilities". Pure and Applied Chemistry 79 (5): 851. doi:10.1351/pac200779050851
  14. He, P.; Wang, Y.; Zhou, H. (2010). "A Li-air fuel cell with recycle aqueous electrolyte for improved stability". Electrochemistry Communications 12 (12): 1686. doi:10.1016/j.elecom.2010.09.025
  15. Girishkumar, G.; McCloskey, B.; Luntz, A. C.; Swanson, S.; Wilcke, W. (2010). "Lithium−Air Battery: Promise and Challenges". The Journal of Physical Chemistry Letters 1 (14): 2193. doi:10.1021/jz1005384
  16. Kumar, B.; Kumar, J. (2010). "Cathodes for Solid-State Lithium–Oxygen Cells: Roles of Nasicon Glass-Ceramics". Journal of the Electrochemical Society 157 (5): A611. doi:10.1149/1.3356988
  17. Kumar, B.; Kumar, J.; Leese, R.; Fellner, J. P.; Rodrigues, S. J.; Abraham, K. M. (2010). "A Solid-State, Rechargeable, Long Cycle Life Lithium–Air Battery". Journal of the Electrochemical Society 157: A50. doi:10.1149/1.3256129
  18. K. Kinoshita, “Electrochemical Oxygen Technology” (wiley, 192), pp 259-306.
  19. Hoque K., “The Oxygen Reduction Reaction in Non-aqueous Electrolytes: Li-Air Battery Applications”, 2013, University of Gothenburg, https://gupea.ub.gu.se/bitstream/2077/34583/1/gupea_2077_34583_1.pdf
  20. Hoster, H. “Lithium-Air: A battery breakthrough explained” (November 2nd 2015), The Conversation. http://theconversation.com/lithium-air-a-battery-breakthrough-explained-50027
  21. Hoster, H. “Lithium-Air: A battery breakthrough explained” (November 2nd 2015), The Conversation. http://theconversation.com/lithium-air-a-battery-breakthrough-explained-50027