Ero sivun ”Litiumilma-akku” versioiden välillä

203 merkkiä lisätty ,  5 vuotta sitten
Linkitystä ym
Ei muokkausyhteenvetoa
(Linkitystä ym)
 
'''Litiumilma-akku''' (Li-O2O<sub>2</sub>) on metalli-ilma akku, joka käyttää litiumin[[litium]]in [[hapettuminen|hapettumista]] anodilla[[anodi]]lla ja [[happi|hapen]] pelkistymistä katodilla[[katodi]]lla [[sähkövirta|sähkövirran]] muodostamiseen.<ref>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}}</ref>
 
== Toiminta ==
[[File:Li-air-charge-discharge.jpg|right|thumb|300px|Litiumilma-akun toiminta]]
[[Akku|Akussa]] on kolme osaa: anodi, katodi sekä [[elektrolyytti]]. Litium-ilma -akun anodi koostuu litiumista ja katodi Li2O2[[litiumperoksidi]]sta (Li<sub>2</sub>O<sub>2</sub>) ja [[hiili|hiilen]] komposiitista. Litium-ionit toimivat varauksenkuljettajina ja katodilla reagoiva aine on happi. Reaktio (Li+ + e- + O2O<sub>2</sub> -> LiO2LiO<sub>2</sub>) tuottaa litiumperoksidia. Elektrolyytti vaihtelee akun rakenteen mukaan. Näitä rakenteita ovat aproottinen, vesipohjainen, aproottisen ja vesipohjaisen yhdistelmä tai kiinteä.<ref>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</ref>
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.<ref>Zhong, Y. (December 3rd 2011). “Lithium-Air Batteries: An Overview”. Stanford University. Coursework for PH240. http://large.stanford.edu/courses/2011/ph240/zhong2/</ref> 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).<ref>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</ref><ref>Golnik A. (2003). “Energy density of gasoline”, The Physics Factbook http://hypertextbook.com/facts/2003/ArthurGolnik.shtml</ref>
 
== Rakenne ==
== Elektrodit ==
Litium-ilma -akkujen anodin valmistukseen käytetään litiumia.<ref>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</ref> 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.<ref>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}}</ref> Litium-ilma -akuissa käytettäväksi katodiksi on kehitetty mangaanidioksidista[[mangaanidioksidi]]sta 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.<ref>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}}</ref>
 
== 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===
 
=== Aproottinen ===
Aproottista elektrolyyttiä hyödyntävissä akuissa on etuna niiden uudelleenladattavuus ja korkea teoreettinen energiatiheys.<ref>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}}</ref> Näissä yleensä käytetään samoja etyleenikarbonaatti- ja propyleenikarbonaattiliuottimia kuin tavanomaisissa litiumioniakuissa, paitsi että nämä ovat hyytelömäisessä muodossa eivätkä nestemäisessä.<ref>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
</ref> Ongelmana karbonaattiliuottimissa on näiden haihtuminen sekä hapettuminen latauksen aikana korkean ylijännitteen vuoksi.<ref>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</ref>
 
=== 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.<ref>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}}</ref> Litiummetalli reagoi voimakkaasti veden kanssa, joten litium ja vesipohjainen elektrolyytti on erotettava toisistaan kiinteällä elektrolyytillä.<ref>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}}</ref>
 
=== 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.<ref>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}}</ref><ref>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}}</ref>
 
=== 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.<ref>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}}</ref> Etuna on turvallisuus, sillä ne eivät vahingoittuessaan aiheuta tulipalon vaaraa.<ref>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}}</ref>
=Käyttökohteet=
Litium-ilma akku tarjoaa teoriassa lähes saman ominaisenergian kuin bensiini, joten se on houkutteleva vaihtoehto autonvalmistajille.
 
= Käyttökohteet =
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.<ref>K. Kinoshita, “Electrochemical Oxygen Technology” (wiley, 192), pp 259-306.</ref>
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[[sähköauto]]ille, mutta materiaalitekniikan kehityksen myötä, sekä uusiutuvien energialähteiden kasvavan kysynnän seurauksena, ne saavuttivat mielenkiintoa vasta 2000-luvun loppupuolella.<ref>K. Kinoshita, “Electrochemical Oxygen Technology” (wiley, 192), pp 259-306.</ref>
 
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.<ref>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</ref>
 
= 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.<ref>Hoster, H. “Lithium-Air: A battery breakthrough explained” (November 2nd 2015), The Conversation. http://theconversation.com/lithium-air-a-battery-breakthrough-explained-50027</ref>
Rekisteröitymätön käyttäjä