MIT:n tutkijoiden johdolla on kehitetty uusi anoditekniikka, joka voi johtaa nykyistä parempiin akkuihin. Niihin voisi pakata enemmän energiaa ja ne voisivat kestää pidempään. Työ perustuu litiumin käyttöön yhtensä akun kahdesta elektrodista.

Uuden elektrodikonseptin tutkimusta on tehty professori Ju Lin laboratoriossa. Tulokset on esitetty Nature-lehden artikkelissa, jonka ovat kirjoittaneet MIT:n tutkijat Yuming Chen ja Ziqiang Wang yhdessä yhdentoista muun tutkijan kanssa MIT:stä, sekä Hongkongin, Floridan ja Texasin yliopistoista.

Työn tavoitteena on kehittää turvallisia puolijohdeakkuja. Elektrolyytin tehtävänä akussa on sallia litiumionien kulkemisen edestakaisin akun lataus- ja purkusyklien aikana. Täysin kiinteä elektrolyytti olisi turvallisempi kuin nestemäiset elektrolyytit, joilla on korkea haihtuvuus ja jotka ovat olleet räjähdysalttiita litiumparistoissa.

Yksi suurimmista ongelmista on, että akun latautuessa atomit kerääntyvät litiummetalliin, mikä aiheuttaa sen laajenemisen. Sitten metalli kutistuu jälleen purkautumisen aikana, kun akkua käytetään. Nämä metallin mittojen toistuvat muutokset tekevät kiinteiden materiaalien pitämisen jatkuvassa kosketuksessa vaikeata. Prosessissa kiinteällä elektrolyytillä on taipumus murtua tai irrota.

Toinen ongelma on, että mikään tähän asti ehdotetuista kiinteistä elektrolyyteistä ei ole osoittautunut kemiallisesti täysin stabiiliksi ollessaan kosketuksissa erittäin reaktiivisen litiummetallin kanssa. Ajan myötä niillä on taipumus heiketä ja lopulta hajota.

Useimmat yritykset näiden ongelmien ratkaisemiseksi ovat keskittyneet sellaisten kiinteiden elektrolyyttimateriaalien suunnitteluun, jotka ovat ehdottoman vakaita litiummetalleja vasten. Tämä on osoittautunut erittäin vaikeaksi. Sen sijaan Li ja hänen tiiminsä käyttivät epätavallista mallia, joka käyttää kahta ylimääräistä kiinteiden aineiden luokkaa, ”sekoitettuja ioni-sähköisiä johtimia” (MIEC) ja “elektroni- ja litiumionieristeitä” (ELI), jotka ovat kemiallisesti täysin stabiileja kosketuksessa litiumin kanssa.

Lin johdolla tutkijat kehittivät kolmiulotteisen nanoarkkitehtuurin hunajakennomaisen ryhmän muodossa, jossa on kuusikulmaiset MIEC-putket. Siihen on osittain integroitu kiinteällä litiummetalliyksikkö, jotta muodostuu pariston yksi elektrodi. Kummankin putken sisällä on jätetty ylimääräistä tilaa. Kun litium laajenee varausprosessissa, se virtaa tyhjään tilaan putkien sisäpuolella liikkuen nesteen tavoin, vaikka se säilyttää kiinteän kiteisen rakenteensa. Näin litiumionien virtaus ei muuta elektrodin ulkomittoja, eikä vaikuta elektrodin ja elektrolyytin väliseen pintaan. Toinen materiaali, ELI, toimii tärkeänä mekaanisena sideaineena MIEC-seinämien ja kiinteän elektrolyyttikerroksen välillä.

Rakenteen ansiosta koko kiinteä akku pysyy mekaanisesti ja kemiallisesti stabiilina käyttösykliensä läpi. Ryhmä on todistanut konseptin kokeellisesti suorittamalla 100 lataus- ja purkusykliä ilman ongelmia.