Eteläkorealaiset tutkijat kehittivät vain 2,77 mikrometrin paksuisen anodittoman kiinteäelektrolyyttisen akun
Etelä-Korean Dongguk-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet anodittoman kiinteäelektrolyyttisen akkuprototyypin, jonka energiatiheys oli 100 lataussyklin jälkeen 235 Wh/l. Vain 2,77 mikrometrin paksuisessa akussa on uusi tinasta ja hiilestä koostuva välikerros, joka auttaa vähentämään litiumhävikkiä ja parantamaan toimintavarmuutta. Kyse ei vielä ole läpimurrosta sähköautojen akkuteknologiassa, mutta ratkaisu voisi auttaa korjaamaan yhden kiinteäelektrolyyttisten akkujen suurimmista teknisistä heikkouksista.
Akun anodi muodostuu latauksen aikana
Advanced Energy Materials -tiedelehdessä otsikolla ”Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode” julkaistu tutkimus keskittyy litiumin kerrostumisen hallintaan kiinteäelektrolyyttisissä akuissa. Perinteisessä litiumioniakussa anodi ja katodi ovat erillisiä, ja litiumionit liikkuvat niiden välillä latauksen aikana. Uudessa rakenteessa ei valmistusvaiheessa ole perinteistä anodikerrosta. Ensimmäisen latauksen aikana litium siirtyy katodilta virrankeräimelle ja muodostaa sen pinnalle metallisen litiumkerroksen.
Ratkaisu mahdollistaa akun koon pienentämisen ja tilavuusyksikköä kohti varastoituvan energian määrän kasvattamisen. Ongelmana on kuitenkin litiumin epätasainen kerrostuminen, joka voi heikentää kapasiteettia ja aiheuttaa sisäisiä oikosulkuja.
Tina ja hiili parantavat akun vakautta
Tutkijoiden ratkaisussa käytetään kuparista virrankeräintä, johon he lisäsivät erittäin ohuen tinasta ja hiilestä koostuvan välikerroksen.
Tina auttaa käynnistämään litiumin kerrostumisen, kun taas hiili auttaa litiumia jakautumaan tasaisemmin. Tämä vähentää riskiä, että latauksen aikana muodostuu epäsäännöllisiä litiumrakenteita tai että osa litiumista eristyy sähköisesti eikä enää osallistu energian varastointiin. Tutkijat käyttivät myös esilitiointia: järjestelmään lisättiin pieni litiumvaranto korvaamaan ensimmäisten käyttösyklien aikana syntyviä palautumattomia häviöitä.
Prototyypissä on litiumvanadiinioksidikatodi ja LiPON-tyyppinen kiinteä elektrolyytti. Katodi on noin 2 mikrometriä paksu, ja koko akkukennon paksuus on 2,77 mikrometriä.
100 lataus-purkaussyklin jälkeen kennon tilavuuteen suhteutettu energiatiheys oli 235,13 Wh/l. Testit tehtiin hyvin pienellä virralla, 0,01 C:n latausnopeudella.
Energiatiheys ei vielä riitä sähköautoihin
Vaikka tulos osoittaa uuden lähestymistavan kiinteäelektrolyyttisten akkujen kehittämiseen, 235 Wh/l ei ole poikkeuksellinen lukema nykyisten sähköautojen mittapuulla.
Nykyisten litiumioniakkujen energiatiheys voi kennotasolla olla useita satoja Wh/l. Donggukin prototyyppiä ei siten voi pitää Toyotan, CATL:n tai muiden suurten akkuvalmistajien kehittämien sähköautoakkujen suorana kilpailijana.
Taustalla oleva rakenneperiaate on tärkeämpi. Anoditon rakenne voisi tulevaisuudessa vähentää materiaalien käyttöä ja mahdollistaa pienemmät akkukennot.
Nykyisen prototyypin osalta avoimia kysymyksiä ovat kuitenkin pitkäaikaiskestävyys, lataaminen suurella virralla, tuotantokustannukset ja teknologian soveltaminen laajamittaiseen akkutuotantoon.
Uusi ratkaisu voisi soveltua erityisen hyvin puettaviin elektroniikkalaitteisiin, lääkinnällisiin laitteisiin ja pieniin antureihin, joissa akun mitat ovat usein energiatiheyttä tärkeämpiä.
Tärkeä tutkimussuunta Euroopan akkuteollisuudelle
Eurooppalaiset akkuvalmistajat ja autonvalmistajat investoivat kiinteäelektrolyyttisiin akkuihin toivoen niiden pidentävän toimintamatkaa, parantavan turvallisuutta ja vähentävän riippuvuutta perinteisistä litiumioniakuista.
Dongguk-yliopiston työ osoittaa kuitenkin, ettei kiinteäelektrolyyttisten akkujen menestys riipu yksinomaan uusista elektrolyyteistä. Elektrodien rajapinnoilla tapahtuvien prosessien hallinta on vähintään yhtä tärkeää.
Tutkimuksen varsinainen arvo ei ole 235 Wh/l:n energiatiheydessä vaan mahdollisuudessa tehdä anodittomasta akusta vakaampi. Jos tutkijat pystyvät soveltamaan samaa periaatetta suurempiin kennoihin ja suuremmilla latausvirroilla, se voisi edistää seuraavan sukupolven akkujen kehitystä.
Toistaiseksi teknologia on laboratoriovaiheessa. Sen käyttö sähköautoissa vaatisi vielä huomattavaa jatkokehitystä.
