Litium-metalliakut ovat pitkään olleet yksi lupaavimmista teknologioista, jotka voisivat mullistaa energian varastoinnin niin sähköautoissa kuin uusiutuvan energian järjestelmissä. Nyt Korean yliopiston (Korea University, KU) ja Seoul National Universityn tutkijat ovat ottaneet merkittävän askeleen eteenpäin kehittämällä uuden elektrolyyttiadditiivin, joka parantaa huomattavasti litium-metalliakkujen tehokkuutta, käyttöikää ja turvallisuutta.
Tutkimuksessa käytetty lisäaine on nimeltään TDFA (trimethylsilyl 2,2-difluoro-2-fluorosulfonyl)acetate). Sitä lisättiin tavanomaiseen karbonaattipohjaiseen elektrolyyttiin. Tämän lisäaineen ansiosta litiumin pinnalle muodostui kiinteä LiF-rikas rajapintakerros, niin sanottu SEI (solid electrolyte interphase). Tämä kerros on sekä kemiallisesti että mekaanisesti vakaa, ja se estää haitallisten litiumkidemäisten dendriittien muodostumisen. Samalla se mahdollistaa litiumin tasaisemman kertymisen akkujen lataus- ja purkaussyklien aikana.
TDFA vaikutti myös katodin rajapintaan. Se edisti niin sanotun CEI-kerroksen (cathode electrolyte interphase) muodostumista. Tämä kerros suojaa katodimateriaalia ja vähentää mikroskooppisten murtumien syntyä. Tällä tavoin se parantaa koko kennon mekaanista ja sähkökemiallista kestävyyttä pidemmällä aikavälillä.
Tutkimuksessa mitattiin useita akkujen suorituskykyyn vaikuttavia tekijöitä. Ensimmäinen merkittävä havainto liittyi nukleaatioylijännitteeseen eli siihen, kuinka paljon energiaa tarvitaan uuden litiumkerroksen muodostumiseen elektrodiin. Ilman TDFA:ta ylijännite oli 159 millivolttia, mutta TDFA:n kanssa se laski vain 29 millivolttiin. Tämä tarkoittaa, että energiahäviö litiumin kertymisvaiheessa pieneni yli 80 prosenttia.
Toinen merkittävä tulos nähtiin kennon käyttöiässä. Litiumin ja litiumin välinen symmetrinen kenno säilytti toimintakykynsä yli 500 tunnin ajan, kun virrantiheys oli yksi milliampeeri neliösenttimetriä kohden ja kapasiteetti yksi milliampeeritunti neliösenttimetriä kohden. Tämä on huomattavasti pidempi käyttöikä kuin ilman lisäainetta valmistetuilla kennoilla.
Kolmas merkittävä parannus liittyi sykliseen stabiilisuuteen. Kun TDFA:ta käytettiin litium-rautafosfaatti (LiFePO₄) -katodia sisältävässä kennossa, akun kapasiteetti säilyi 89,4 prosentissa vielä 300 syklin jälkeen. Tämä tarkoittaa, että kennon suorituskyky pysyi lähes ennallaan pitkän käyttöjakson ajan, mikä on selvä parannus perinteisiin litium-metalliakkuihin verrattuna.
Vaikka TDFA ei suoraan kasvata akun varastointikapasiteettia (esimerkiksi wattitunteina painoyksikköä kohden), se vaikuttaa positiivisesti useisiin suorituskyvyn osa-alueisiin. Akku toimii tehokkaammin ja pidempään, latauksen ja purkauksen aikana syntyy vähemmän häviöenergiaa, ja akun elinkaaren aikana siitä saadaan enemmän energiaa ulos. Näiden parannusten ansiosta koko akun käyttöiän aikainen energiantuotto voi parantua arviolta 20–40 prosenttia, riippuen olosuhteista ja vertailukohteena olevasta akkutyypistä.
Tutkimus julkaistiin huhtikuussa 2025 kansainvälisessä tiedelehdessä Energy Storage Materials.
