Lõuna-Korea teadlased lõid anoodita tahkisaku, mille paksus on vaid 2,77 mikromeetrit
Lõuna-Korea Dongguki ülikooli teadlased töötasid välja anoodita tahkisaku prototüübi, mille energiatihedus ulatus pärast 100 laadimistsüklit 235 Wh/l-ni. Vaid 2,77 mikromeetri paksune aku kasutab uudset tina ja süsiniku vahekihti, mis aitab vähendada liitiumi kadu ning parandada töökindlust. Tegemist pole veel elektriautode akutehnoloogia läbimurdega, kuid lahendus võib aidata kõrvaldada ühe tahkisakude suurima tehnilise nõrkuse.
Aku loob anoodi alles laadimise käigus
Teadusajakirjas Advanced Energy Materials avaldatud töö „Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode” keskendub liitiumi ladestumise kontrollimisele tahkisakudes. Tavapärases liitiumioonakus paiknevad anood ja katood eraldi ning liitiumioonid liiguvad laadimisel nende vahel. Uues konstruktsioonis puudub valmistamise ajal tavapärane anoodikiht. Esimese laadimise käigus liigub liitium katoodilt voolukollektorile ja moodustab sinna metallilise liitiumi kihi.
Selline lahendus võimaldab vähendada aku mõõtmeid ja suurendada ruumala kohta salvestatavat energiat. Probleem peitub aga liitiumi ebaühtlases ladestumises, mis võib põhjustada mahtuvuse vähenemist ja sisemisi lühiseid.
Tina ja süsinik parandavad aku stabiilsust
Teadlaste lahendus kasutab vasest voolukollektorit, millele nad lisasid üliõhukese tina ja süsiniku vahekihi.
Tina hõlbustab liitiumi ladestumise algust, süsinik aga aitab liitiumil ühtlasemalt jaotuda. Nii väheneb oht, et laadimise käigus tekivad ebakorrapärased liitiumistruktuurid või elektriliselt eraldunud liitium, mis enam energiasalvestuses ei osale. Lisaks kasutasid teadlased eelnevat litieerimist, lisades süsteemi väikese liitiumivaru, kompenseerimaks esimestel töötsüklitel tekkivaid pöördumatuid kadusid.
Prototüüp ühendab liitium-vanaadiumoksiidist katoodi ja LiPON-tüüpi tahke elektrolüüdi. Katoodi paksus on ligikaudu 2 mikromeetrit ning kogu akuelemendi paksus 2,77 mikromeetrit.
Pärast 100 laadimis- ja tühjendamistsüklit saavutas element ruumalalise energiatiheduse 235,13 Wh/l. Katsed toimusid väga väikese voolutugevusega, laadimiskiirusel 0,01 C.
Elektriautode jaoks pole energiatihedus veel piisav
Kuigi tulemus näitab uut võimalust tahkisakude arendamisel, pole 235 Wh/l tänapäevaste elektriautode seisukohalt erakordne näitaja.
Kaasaegsete liitiumioonakude energiatihedus võib elemendi tasemel ulatuda mitmesaja Wh/l-ni. Seetõttu ei saa Dongguki prototüüpi pidada otseseks konkurendiks Toyota, CATLi või teiste suurte akutootjate arendatavatele elektriautoakudele.
Olulisem on konstruktsiooni põhimõte. Anoodita arhitektuur võib tulevikus vähendada materjalikulu ja võimaldada kompaktsemaid akuelemente.
Praeguse prototüübi puhul jäävad aga lahtiseks pikaajaline vastupidavus, suure vooluga laadimine, tootmiskulud ja tehnoloogia kohandamine suuremahuliste akude valmistamiseks.
Eelkõige võiks uus lahendus sobida kantavasse elektroonikasse, meditsiiniseadmetesse ja väikestesse anduritesse, kus aku mõõtmed on sageli energiatihedusest olulisemad.
Euroopa akutööstusele oluline teadussuund
Euroopa akutootjad ja autokontsernid investeerivad tahkisakudesse lootuses suurendada sõiduulatust, parandada ohutust ning vähendada sõltuvust tavapärastest liitiumioonakudest.
Dongguki ülikooli töö näitab siiski, et tahkisakude edu ei sõltu ainult uutest elektrolüütidest. Vähemalt sama oluline on kontrollida elektrootide piirpindadel toimuvaid protsesse.
Uuringu tegelik väärtus pole 235 Wh/l energiatihedus, vaid võimalus muuta anoodita aku stabiilsemaks. Kui teadlased suudavad sama põhimõtet rakendada suuremates elementides ja suuremate laadimisvoolude juures, võib see aidata kaasa järgmise põlvkonna akude arengule.
Praegu jääb tehnoloogia laborisse. Elektriautodes kasutamiseks vajaks see veel märkimisväärset edasiarendamist.
