Teksasin Houstonissa sijaitsevan Rice Universityn tutkijat ovat havainneet, että erityisten vikojen sijoittaminen litiumrautafosfaattipohjaisien katodien kidehilaan laajentaa mahdollisuuksia, joiden kautta litiumionit kulkevat. Laskelmien mukaan viat voisivat parantaa suorituskykyä jopa kaksi suuruusluokkaa. Sama periaate voi parantaa suorituskykyä myös muissa akkutyypeissä.

Viat, joissa rauta-atomit ovat paikoissa, joissa litiumin tulisi olla haittaavat litiumin liikkumista kidehilan sisällä, katsotaan olevan haitallisia akun suorituskyvylle. Litiumrautafosfaatin tapauksessa tutkijat kuitenkin havaitsivat, että viat luovat katodin sisällä useita kiertoteitä ja mahdollistavat siten litiumionien pääsyn reaktiorintamaan laajemmalla pinnalla. Tämä auttaa parantamaan akkujen varaus- tai purkamisnopeutta.

Litiumrautafosfaatti on laajalti käytetty katodimateriaali litiumioniakuissa ja se toimii myös hyvänä mallijärjestelmänä akkujen työjaksoprosessien taustalla olevan fysiikan tutkimiseen, toteaa Ricen materiaalitutkija Ming Tang.

Kun litiumia lisätään, katodi muuttuu litiumköyhästä litiumrikkaaksi. Kun pintareaktion kinetiikka on hidasta, litium voidaan viedä litiumrautafosfaattiin vain kapealla pinta-alueella faasirajan ympärillä. Tämä ilmiö rajoittaa akun varausnopeutta.

Jos vikoja ei ole, litium pääsee vain tälle pienelle alueelle aivan faasirajan ympärillä. Vikakohdat voivat kuitenkin tehdä litiumin ujuttamisen yhtenäisemmäksi, joten raja liikkuu nopeammin ja akku latautuu nopeammin.

- Jos pakotat virheettömän katodin latautumaan nopeasti käyttämällä suurta jännitettä, pinnalla on erittäin suuri paikallinen litiumvirta ja tämä voi vaurioittaa katodia. Tämä ongelma voidaan ratkaista käyttämällä vikoja levittämään vuota koko katodin pintaan, Tang kuvaa.

Vikapitoisuutta voitaisiin Tangin mukaan hallita materiaalin hehkuttamisella. Viat mahdollistaisivat käyttää myös nanokiteitä suurempia katodipartikkeleita energiatehokkuuden parantamiseksi ja pinnan heikkenemisen vähentämiseksi. Mielenkiintoinen ennuste mallista on, että optimaalinen vikakonfiguraatio riippuu myös hiukkasten muodosta.

Tang toteaa, että laskentamallia voitaisiin soveltaa yleisenä strategiana faasia muuttavien akkuyhdisteiden parantamiseksi. Rakenteellisissa materiaaleissa, kuten teräksessä ja keramiikassa tutkijat leikkivät virheillä koko ajan tehdäkseen materiaaleista vahvempia. Temppua ei oikein ole hyödynnetty akkujen parissa.

- Yleensä ihmiset näkevät viat häiriöinä, jotka on poistettava. Mutta uskomme, että voimme muuttaa viat ystäväksi paremman energian varastoinnin mahdollistamiseksi, filosofoi Ming Tang.

Veijo Hänninen
Nanobittejä 13.12.2019