Luontoa matkiva pinnoite tekee akuista kestävämpiä ja tehokkaampia

Aalto-yliopiston tutkijat onnistuivat ensimmäisinä maailmassa hyödyntämään hiilidioksidia akkua suojaavan pinnoitteen valmistuksessa. Tulevaisuudessa pinnoite voisi moninkertaistaa akkujen keston ja mahdollistaa uusien, tehokkaampien materiaalien käytön.

(kuva: Kuvassa hiilinanoputkia päällystettynä hiilidioksidin avulla tehdyllä pinnoitteella.)

Kun akkuja ladataan ja käytetään, niihin muodostuu monimutkainen SEI-kerros (solid electrolyte interphase). Sen rakenne muistuttaa useista palikoista koottua mosaiikkia, jossa on orgaanisia ja epäorgaanisia osia.

Tutkijat ovat huomanneet, että jos akun elektrodin pinnalle tehdään atomikasvatuksella keinotekoinen kerros, akkuja voi ladata ja käyttää pidempään. Varsinainen elektrodimateriaali säästyy, kun erikseen lisätty kerros reagoi ja muodostaa suojaavan SEIn. Keinotekoisesti tuotetun SEIn pinta on myös tasaisempi ja laadukkaampi kuin luonnollisesti syntyvän.

Atomikerroskasvatuksessa on käytetty epäorgaanisia materiaaleja eli materiaaleja, jotka eivät sisällä hiiltä. Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat ensimmäisinä maailmassa onnistuneet valmistamaan pinnoitteen hyödyntäen molekyylikerroskasvatuksessa hiilidioksidia.

”Teemme täysin luonnollista SEI-kerrosta matkivan pinnoitteen, joka toivottavasti suojaa varsinaista elektrodimateriaalia”, kertoo tohtorikoulutettava Juho Heiska.

Akun kestävyyden lisäämisen lisäksi keinotekoinen SEI voi mahdollistaa myös uusien, tehokkaampien elektrodimateriaalien käytön. Akku koostuu aina kahdesta elektrodista, joilla molemmilla on omat ominaisuudet, jotka vaikuttavat akun suorituskykyyn.

”Lottovoitto olisi, jos akuissa pystyisi käyttämään metallista litiumia. Jos puhdasta litiummetallia pystyisi käyttämään turvallisesti, se nostaisi akkujen kapasiteettia huomattavasti. Keinotekoisen SEIn avulla tämä voisi onnistua”, Juho Heiska sanoo. Metallinen litium voi sytyttää akun palamaan, jos se joutuu kosketuksiin veden tai ilman kanssa. Siksi sen hyödyntäminen akuissa on haastavaa.

Akkujen käyttö lisääntyy yhteiskunnassa vauhdilla esimerkiksi sähköautojen yleistymisen myötä. Siksi kestävyyden ja tehon parantaminen ovat tärkeitä ympäristön kannalta.

”Metallien louhiminen on tällä hetkellä liian halpaa, joten yrityksillä ei ole motivaatiota valmistaa tuotteita, joiden elinikä olisi pidempi kuin nykyisin. Eikä kuluttajilla ole kiinnostusta maksaa akuista enempää kuin nykyisin”, Juho Heiska toteaa.

Tutkimuksessa onnistuttiin rakentamaan orgaaninen osa SEItä. Seuraavaksi tutkijat testaavat, miten nyt kehitetty keinotekoinen pinnoite suojaa akkua.

Artikkeli on julkaistu Nanoscale Advances -lehdessä toukokuussa 2020.