Uus tahke elektrolüüt juhib liitiumioone rekordkiirelt, kuid autoakuni on veel pikk tee

Materjal kannab keemilist valemit Li₂₋ₓLa₍₁₊ₓ₎/₃Nb₂O₆F ning lühendit LLNOF. Sama ühend äratas tähelepanu juba 2024. aastal, kui selle juhtivuseks mõõdeti umbes 0,7 S/m ehk 7 mS/cm. Uue koostise ja kvaliteetsete üksikkristallidega tõstsid teadlased näidu 1,63 S/m-ni.

Fluoriidioon liigub liitiumile eest

Tahkisakude üks keskseid probleeme on olnud kompromiss juhtivuse ja keemilise stabiilsuse vahel.

Sulfiid- ja kloriidipõhised tahked elektrolüüdid võivad liitiumioone väga kiiresti juhtida, kuid osa neist reageerib niiskusega ning võib vabastada ohtlikke gaase, näiteks vesiniksulfiidi või vesinikkloriidi. Oksiidid ja oksüfluoriidid on üldiselt vastupidavamad ja elektrokeemiliselt stabiilsemad, kuid nende jäik kristallstruktuur takistab tavaliselt liitiumioonide kiiret liikumist.

LLNOF käitub teisiti.

Teadlased kasvatasid Bridgmani meetodil millimeetrisuurused üksikkristallid ning uurisid nende struktuuri röntgendifraktsiooniga. Selgus, et liitiumiooni liikumisel järgmisse vabasse kristallvõre asukohta nihkub lähedal paiknev fluoriidioon vastassuunas.

See väike lokaalne liikumine vähendab liitiumiooni ees olevat energiabarjääri. Lihtsustatult öeldes liigub fluoriidioon hetkeks eest ära, võimaldamaks liitiumil kristallvõres kergemini järgmisele positsioonile hüpata.

Just see mehhanism muudab tulemuse teaduslikult olulisemaks kui pelk uus rekordnumber. Seni seostati väga suurt tahke elektrolüüdi juhtivust sageli pehmemate ja kergemini polariseeruvate sulfiid- või kloriidioonidega. LLNOF näitab, et kiire ioontransport võib tekkida ka teistsuguse mehhanismiga.

16,3 mS/cm ei tähenda veel sama kiiret autoakut

16,3 mS/cm on materjali ruumjuhtivus ehk bulk conductivity kvaliteetse üksikkristalli sees. Valmis aku ei koosne ühest täiuslikust kristallist.

Tööstuslik tahke elektrolüüt peab töötama õhukese kihina, mis sisaldab teradevahelisi piire ja puutub mõlemalt poolt kokku elektroodimaterjalidega. Iga selline liides võib suurendada takistust ning vähendada kogu aku tegelikku ioonjuhtivust.

Teadlased ei näidanud selles töös täismõõdus autoakut, mitmesajakilovatist kiirlaadimist ega tuhandete tsüklite pikkust eluiga. Uuring keskendus elektrolüüdimaterjali struktuurile ja liitiumioonide liikumismehhanismile.

Ohutum ei tähenda tulekindlaks tõestatud akut

Sama ettevaatlikult tuleb käsitleda ohutust. Tahke elektrolüüdi kasutamine võib eemaldada tuleohtliku orgaanilise vedela elektrolüüdi ning vähendada seega üht olulist põlenguriski. LLNOF kuulub lisaks keemiliselt robustsemate oksüfluoriidide hulka. See ei tähenda siiski, et teadlased oleksid praeguses uuringus ehitanud ja süüdanud terve akupaki ning tõestanud selle tulekindlust.

Aku ohutust mõjutavad lisaks elektrolüüdile katoodi ja anoodi keemia, sisemised lühised, liitiumdendriidid, mehaanilised vigastused, termohaldus ja elektroodidevahelised liidesed.

LLNOF on seega potentsiaalselt ohutuma tahkisaku materjal, mitte valmis ohutu aku.

Autotööstus panustab praegu eelkõige sulfiididele

Uus materjal astub võistlusse ajal, mil tahkisakude industrialiseerimine on jõudnud laborist piloottootmise lähedale.

Näiteks Toyota ja Idemitsu keskenduvad praegu sulfiidipõhisele tahkele elektrolüüdile ning sihivad esimeste tahkisakuga elektriautode turuletoomist aastatel 2027-2028. Toyota põhjendab sulfiidide valikut nende suure juhtivuse, pehmuse ja hea kontaktiga teiste akumaterjalide vastu.

LLNOF pakub sellele lähenemisele huvitava alternatiivi. Kui oksüfluoriidi rekordilist üksikkristalli juhtivust õnnestuks säilitada ka odavalt toodetavas polükristalses elektrolüüdikihis, võiks materjal ühendada oksiidide keemilise stabiilsuse sulfiidide lähedase ioonjuhtivusega.

Praegu on selles lauses suurim sõna siiski „kui”.

Teadlased peavad lahendama tootmise, elektroodiliideste, mehaanilise vastupidavuse, tsüklilise eluea ja maksumuse. Millimeetrisuuruse kvaliteetse üksikkristalli kasvatamine on materjali omaduste uurimiseks suurepärane meetod, kuid elektriautode miljonitesse akuelementidesse pole selline tootmisviis realistlik.

Euroopa autoostjale ei muuda rekord veel midagi

Lähiaastate Euroopa elektriautode tehnoloogiat LLNOF-i avastus tõenäoliselt ei muuda. 2027. ja 2028. aastaks kavandatavad tahkisakuprojektid kasutavad materjale ja tootmisprotsesse, mida autotootjad arendavad juba aastaid.

Pikemas perspektiivis võib avastus olla märksa olulisem.

Tahkisaku üks põhilisi eesmärke on võimaldada vedela elektrolüüdiga akust suuremat energiatihedust, kiiremat laadimist ja paremat termilist stabiilsust. Selleks peab tahke elektrolüüt laskma liitiumioonidel liikuda peaaegu sama vabalt kui vedelikus.

LLNOF näitab nüüd, et keemiliselt robustsemas materjaliklassis võib selline juhtivus olla füüsikaliselt võimalik.

Järgmine läbimurre peab tulema inseneridelt: rekordiline kristall tuleb muuta õhukeseks, vastupidavaks, odavaks ja masstoodetavaks akukihiks.