Metalliakuilla on potentiaalia tuottaa enemmän energiaa pienemmällä painolla kuin suosittu litiumioniakku. Ongelmana on, että nykytekniikalla on liian lyhyt käyttöikä, koska näissä akuissa oleva litiummetalli on erittäin reaktiivista. Chalmersin uudet tutkimustulokset osoittavat, missä ongelmat piilevät ja kuinka ne voidaan kiertää luomalla metallielektrodi suoraan akkukennoon.
Litiumioniakut ovat nykyään suosituin akkuvaihtoehto, mutta laajan sähköistyksen edessä olevassa yhteiskunnassa tarvitaan uusia akkutekniikoita, jotka voivat tuottaa enemmän energiaa painoa tai tilavuutta kohti. Sillä on merkitystä pidemmän kantaman sähköautojen tai lyhyemmille matkoille tarkoitettujen sähkölentojen kehittämisessä.
Tämän takia tutkimuksen painopiste on nyt metallielektrodilla varustetuissa akuissa, joissa litiumioniakun grafiittielektrodi on korvattu litiummetallilla. Esimerkiksi kiinteän elektrlyytin akuissa eli ns. solid-state-akuissa, joita pidetään yhtenä lupaavimmista tulevista teknologioista, käytetään metallielektrodia, ja tämän ansiosta kennot tuottavat enemmän energiaa kuin nykyiset litiumioniakut.
Metallielektrodeissa on kuitenkin ongelma. Metallit ovat reaktiivisia, mikä tarkoittaa, että ne reagoivat helposti ympäristönsä kanssa ja pitkäikäisen kennon kehittäminen on vaikeaa.
Metalliakut ovat yksi Chalmersin fysiikan laitoksen professori Aleksandar Maticin tutkimusryhmän painopistealueista. Ensimmäisenä tutkimusryhmänä he ovat aiemmin onnistuneet seuraamaan 3D-röntgenin avulla, miten litiummetalliparistossa oleva litium käyttäytyy reaaliajassa käytön aikana. Nämä kokeet ovat lisänneet tietoa siitä, miten litium muodostaa latauksen ja purkamisen aikana epätasaisia rakenteita, mikä puolestaan vaikuttaa sen vakauteen.
Äskettäin Maticin johtama tutkimusryhmä esittelivät tieteellisessä Journal of The Electrochemical Society -lehdessä metalliakkujen tutkimustuloksia, jotka osoittavat, kuinka helposti vältetään pintakerroksen muodostuminen reaktiivisille elektrodeille. Löydösten ansiosta metalliparistoista voidaan tehdä vakaampia ja turvallisempia.
- Työskentelemme hyvin inertissä ympäristössä, mutta sielläkin metallit löytävät jotain reagoidakseen ja metalliin muodostuu pintakerros, joka vaikuttaa metallien käyttäytymiseen akuissa. Olemme kuitenkin nähneet, että nämä reaktiot on todella mahdollista välttää hyvin yksinkertaisin keinoin. Sen sijaan, että käsittelemme reaktiivisia elektrodimateriaaleja akun ulkopuolella, luomme elektrodimme akun sisään galvanoimalla. Silloin voidaan välttää reaktiivisen metallin reagoiminen ympäristön kanssa, sanoo fysiikan tohtoriopiskelija Josef Rizell, joka yhdessä Aleksandar Maticin kanssa on äskettäin julkaistun artikkelin pääkirjoittaja.
Rizell korostaa perusymmärryksen hankkimista elektrodeissa ja niiden ympärillä tapahtuvista prosesseista, kun lataamme ja puramme akkua, jotta voimme kehittää parempia akkuja tulevaisuudessa. - Akku on hyvin monimutkainen ja monia eri asioita tapahtuu rinnakkain, mikä tekee järjestelmän analysoinnin vaikeaksi. Olemme yrittäneet eristää jokaisen reaktion tai prosessin erikseen ja tutkineet, miten kyseinen prosessi vaikuttaa akun toimintaan. Tavoitteena on ymmärtää paremmin, mitä metallielektrodeissa tapahtuu, kun käytämme akkua, ja siten mitkä strategiat ovat lupaavimpia saada ne toimimaan paremmin, Rizell sanoo.
Miten galvanoitu elektrodi sitten valmistetaan? Metallia voidaan valmistaa sähkökemiallisesti prosessilla, jota kutsutaan galvanoimiseksi. Jännite ohjaa elektroneja elektrodille ja metalli muodostuu elektrodin pinnalle elektronien reagoidessa elektrolyytin ionien kanssa. Kun metalliakku ladataan, se tapahtuu juuri tämän reaktion kautta. Samaa prosessia voidaan käyttää myös metallielektrodin valmistamiseksi suoraan akkukennoon. Luomalla metallielektrodi akun sisään metalli ei koskaan pääse reagoimaan akun ulkopuolisten epäpuhtauksien kanssa ja saa paremman ja vakaamman pintakerroksen.
