Litium-rikkiakuilla on kyky varastoida jopa viisinkertaisesti energiaa nykyisiin litiumion-ratkaisuihin verrattuna. Michiganin yliopiston tutkijat ovat ottaneet koppia aiheesta ja ryhtyneet tutkimaan niiden todellista potentiaalia.
Näyttäisi siltä, että uusi luonnon inspiroima kalvorakenne poistaa stabiiliusongelmat ja mahdollistaa akuston kestävän jopa yli tuhat latauskertaa.
Aiemmat tutkimusraportit kertovat, että litiumrikkiakut ovat kestäneet satoja latauskertoja, mutta ne on saavutettu muiden ominaisuuksien, kuten kapasiteetin, lataukseen käytettävän ajan, resilienssin ja turvallisuuden kustannuksella.
Tukimusryhmän johtaja Nicholas Kotov tiimeineen alkoi kokeilla aramidinanokuituja, jotka ovat nanomittakaavan Kevlar-kuituja. Niistä valmistettiin huolellisesti suunniteltuja verkkoja, jotka matkivat solukalvojen rakennetta. Tämä materiaali sulautettiin elektrolyyttigeeliin, jolloin ratkaisu estää akkujen yleisen ongelman eli neulankaltaisten dendriittien kasvamisen elektrodeihin.
Uudenlaisen kalvorakenteen edut eivät kuitenkaan lopu tähän. Kun litiumrikkiakkua ladataan, pienet litium- ja rikkipartikkelit, jotka tunnetaa litiumpolysulfideina virtaavat litiumiin ja heikentävät akun kapasiteettia. Tiimi esti tämän integroitujen pienten elomateriaaleista innoituksensa saaneiden kalvojen avulla ja lisäämällä sähköisen varauksen, joka hylkii näitä partikkeleita mahdollistaen sen, että positiivisesti varautuneet litiumionit liikkuvat vapaasti.
– Inspiraationsa biologisista ionikanavista saaneina, suunnittelimme valtatiet litiumioneille kun taas litiumpolysulfidit eivät läpäise kalvoa, tutkimusryhmän jäsen Ahmet Emre, kertoo.
Oikean puolen kuvasarja selventää asiaa. Oikeanpuolimmaisessa pystyssä kuvalinjassa kevlar-kalvo pitää nesteen puhtaana.
Tämä ioniselektiivisyyden tuloksena on designiltaan miltei täydellinen litiumrikkiakku Kotoyn mukaan. Hän kertoo, että akun tehokkuus lähestyy teoreettisia rajoja, kun kapasiteetti on peräti viisinkertainen vakioon litiumioniakkuun verrattuna. Tämä tarkoittaa sitä, että jonain päivänä sähköajoneuvojen ajomatka latauksella voisi olla viisinkertainen nykyiseen verrattuna.
Tiedemiehet odottavat, että akku kestäisi noin 1000 latauskertaa, mikä vastaa noin 10 vuoden käyttöikää. Rikin puolesta puhuu myös se, että sitä on paremmin saatavilla ja se on vähemmän ongelmallinen ainesosa kuin koboltti, jota käytetään litiumioniakuissa. Aramidikuidut puolestaan kerätään vanhoista luodinkestävistä liiveistä, mikä tekee siitä ympäristöystävällisen ratkaisun.
– Biomimeettinen suunnittelu onnistui näissä akuissa integroimaan kahden mittakaavan; molekyyli- ja nanomittakaavan tasot, Kotoy pohtii. – Ensimmäistä kertaa yhdistimme ioniselektiivisyyden mahdollistavat solukalvot ja rustokudoksen vahvuuden. Integroitu ja systeeminen lähestymistapamme mahdollisti meille litiumrikkiakkujen ongelmien ratkaisun.
Asiasta kertoivat mm. New Atlas, Nature ja Michiganin yliopisto.
Vielä ei ole tiedossa, onko mahdollista toteuttaa teknologiaa suuren mittakaavan ratkaisuna eikä myöskään sitä, millä aikataululla.