Litiumilma-akku

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

 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.Abraham K. M. , Jiang Z., “A polymer electrolyte-based rechargeable lithium/oxygen battery”,J. Electrochem. Soc. 1996 volume 143, issue 1, 1-5,  http://jes.ecsdl.org/content/143/1/1.full.pdf+html
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.Zhong, Y. (December 3rd 2011). “Lithium-Air Batteries: An Overview”. Stanford University. Coursework for PH240. http://large.stanford.edu/courses/2011/ph240/zhong2/ 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).Golnik A. (2003). “Energy density of gasoline”, The Physics Factbook http://hypertextbook.com/facts/2003/ArthurGolnik.shtml

 Rakenne 
 Elektrodit 
Litium-ilma -akkujen anodin valmistukseen käytetään litiumia.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 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.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.  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.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. 

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

 Vesipohjainen 
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.He, P.; Wang, Y.; Zhou, H. (2010). "A Li-air fuel cell with recycle aqueous electrolyte for improved stability". Electrochemistry Communications 12 (12): 1686.  Litiummetalli reagoi voimakkaasti veden kanssa, joten litium ja vesipohjainen elektrolyytti on erotettava toisistaan kiinteällä elektrolyytillä.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. 

 Aproottisen ja vesipohjaisen yhdistelmä 
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.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. 

 Kiinteä 
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.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.  Etuna on turvallisuus, sillä ne eivät vahingoittuessaan aiheuta tulipalon vaaraa.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. 

 Käyttökohteet 
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.K. Kinoshita, “Electrochemical Oxygen Technology” (wiley, 192), pp 259-306.

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.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

 Haasteet 
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.Hoster, H. “Lithium-Air: A battery breakthrough explained” (November 2nd 2015), The Conversation.  http://theconversation.com/lithium-air-a-battery-breakthrough-explained-50027
Reaktion tuotteena syntyvä litiumperoksidi on huono johde, joka kulkeutuu elektrodille muodostaen siihen pinnoitteen ja täten estäen reaktion jatkuvan toiminnan.
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 


Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit