Kas Lõuna-Koreast saab alguse uus akurevolutsioon?

Lõuna-Korea teadlased on lahendanud odava metalliga akude mõned suurimad probleemid, mis aitaksid kiiremini üle minna naatriumakudele, mille toorainega ei tohiks puudust tekkida. Pilt on illustreeriv. Foto: Magica / Pixabay

Lõuna-Korea teadlased ja insenerid on edukalt hakkama saanud väga kõrge energiatihedusega ja üleni tahke naatrium-õhk tüüpi aku väljatöötamisega, mille sees pole haruldasi ja kalleid materjale. Selle energiasalvesti erilisus peitub selles, et seade taaskasutab naatriumit (Na) ja õhuhapnikku, ilma et selleks oleks vaja keerulist erivarustust.

Meeskonda juhtisid professor Byoungwoo Kang ja dr Heetaek Park Pohangi Teaduse ja Tehnoloogia Ülikooli (POSTECH) materjaliteaduse ja -tehnika osakonnast.

Nende senine töö on sillutanud teed ühele üsna täiuslikule avastusele.

Probleem metall-õhk akude hapnikuga

Uuringu tulemused on avaldatud ajakirjas Nature Communications. Seal märgitakse, et kuigi metall-õhk akud, mis kasutavad liitiumi või naatriumi, on olnud huviobjektiks oma erakordselt kõrge teoreetilise massiühiku kohta saavutatud energiamahutavuse tõttu, on need akud peamiselt sõltuvad puhta hapniku kasutamisest metallioksiidide moodustamiseks ja lagundamiseks, mitte aga ümbritsevast õhust.

Puhas hapnik metall-õhk akudes võib osutuda tõeliselt väljakutsuvaks tänu keemilistele reaktsioonidele, mis toimuvad heitproduktide ja atmosfäärikomponentide, nagu süsihappegaas ja vesi, vahel. Need põhjustavad karbonaadide või hüdroksiidide moodustumist, mida on elektrokeemiliste meetoditega raske lagundada.

Enamasti on sellist tüüpi akud kasulikud roheliste tehnoloogiate rakendamiseks, nagu elektrisõidukite ja energiasalvestussüsteemide puhul, sest on kerged ja väikesed. Järgmise põlvkonna suure mahutavusega metall-õhk akud saavad enamasti energiat salvestada hapniku ja metallide vahendusel, mida leidub Maal külluses.

Üks taoliste energiasalvestite peamisi puudusi on aga see, et need vajavad lisavarustust, näiteks hapnikku valikuliselt läbi laskvaid membraane, et puhastada hapnikku või kasutada selektiivselt atmosfääri hapnikku.

Ka karbonaadiprobleem vajab lahendust

Tekkiva karbonaadi probleem vajab samuti head lahendust ja seetõttu kasutas uurimismeeskond Nasiconi, naatriumiga superioonjuhti ja tahket elektrolüüti, mis suudaks karbonaadi probleemi lahendada.

Nasicon, mis sisaldab endas selliseid elemente nagu naatrium (Na), räni (Si) ja tsirkoonium (Zr), toimib tahke elektrolüüdi abil, mis võimaldab ioonide liikumist tahkes olekus aines, säilitades samal ajal kõrge elektrokeemilise ja keemilise stabiilsuse. Seda tahket elektrolüüti kasutades kaitses teadlaste meeskond oma akus naatriumaku metallelektroode õhu eest ja hõlbustas karbonaadi lagundamist elektrokeemiliste elementide töö ajal.

Selle tulemusel suurendas karbonaadi pöörduv elektrokeemiline reaktsioon raku energiamahutavust, tõstes tööpinget ja vähendades oluliselt laadimise ja tühjenemise pingelõhet, suurendades seega kokkuvõttes energiatõhusust.

Veelgi enam, meeskonna loodud tahketest ainetest naatrium-õhk akuelement demonstreeris suurepärast kineetilist jõudlust katolüüdi (ehk katoodi ümbruse elektrolüüdi) moodustumise kaudu, mis lubas kiiret naatriumioonide juhtivust elektroodi sees.

Tähelepanuväärne on just see, et akuelement töötas ainult metalli ja õhu abil, ilma et oleks vaja täiendavat erivarustust hapniku filtreerimiseks ümbritsevast õhust.

Professor Byoungwoo Kang, kes juhtis uurimistööd, kommenteeris uut akutehnoloogiat: «Oleme välja töötanud meetodi karbonaadi töötlemiseks, mis on olnud pikka aega väljakutseks suure energiamahutavusega metall-õhk tüüpi akude arendamisel. Loodame juhtida järgmise põlvkonna tahkest ainest metall-õhk akude valdkonna arengut, kasutades tahke elektrolüüdi baasil töötavat akuelementi, mis jääb stabiilseks ümbritsevates tingimustes ja pakub laia pingevahemikku.»

See uutmoodi lähenemine võib viia akutehnoloogia järgmisele tasemele, pakkudes tõhusamaid ja keskkonnasõbralikumaid lahendusi energiasalvestuseks ja elektrisõidukite jaoks. Akude jaoks läheb vaja vaid lihtsasti kättesaadavaid ja odavaid materjale ning uued energiasalvestid on väga suure energiatihedusega. Taolised avastused aitavad seega kaasa puhtama ja jätkusuutlikuma akutehnoloogia loomisele.

Allikad: Nature, Interesting engineering