Litiumakut ovat keskeinen osa jokapäiväistä elämäämme, mutta edelleen akkujen kemiassa on ollut vaiheita, joita ei ole täysin tunnettu. Nyt Karlsruhen teknologiainstituutin (KIT) tutkijat havaitsivat simulaatioissaan yhden prosessiin salaisuudet.
Litiumioniakkuja käytetään lähes kaikessa älypuhelimista sähköautoihin. Olennainen osa tämän ja muiden nestemäisten elektrolyyttiakkujen luotettavaa toimintaa on kiinteä elektrolyytin välikerros (SEI, solid electrolyte interphase). Tämä passivointikerros muodostuu, kun jännite kytketään ensimmäistä kertaa. Elektrolyytti hajoaa pinnan välittömässä läheisyydessä.
Toistaiseksi on jäänyt epäselväksi, kuinka elektrolyyttien hiukkaset muodostavat jopa 100 nanometrin paksuisen kerroksen elektrodin pinnalle, koska hajoamisreaktio on mahdollinen vain muutaman nanometrin etäisyydellä pinnasta.
Anodin pinnalla oleva passivointikerros on ratkaisevan tärkeä litiumioniakun sähkökemiallisen kapasiteetin ja käyttöiän kannalta, koska sitä rasitetaan voimakkaasti jokaisen latausjakson aikana. Kun kerros hajoaa tämän prosessin aikana, elektrolyytti hajoaa edelleen ja akun kapasiteetti pienenee. Tämä lyhentää akun käyttöikää.
Oikealla tiedolla kerroksen kasvusta ja koostumuksesta akun ominaisuuksia voidaan hallita. Mutta toistaiseksi mikään kokeellinen tai tietokoneavusteinen lähestymistapa ei ole riittänyt tulkitsemaan monimutkaisia kasvuprosesseja.
KIT:n nanoteknologian tutkimuskeskuksen tutkijat onnistuivat nyt simuloimaan kerroksen muodostumista osana laajaa eurooppalaista BATTERY 2030+ -tutkimushankkeessa, jonka tavoitteena on kehittää turvallisia, edullisia, pitkäikäisiä ja kestäviä korkean suorituskyvyn akkuja tulevaisuutta varten.
Nestemäisten elektrolyyttiakkujen anodin passivointikerroksen kasvun ja koostumuksen tutkimiseksi tutkijat loivat yli 50 000 simulaatiota, jotka edustavat erilaisia reaktio-olosuhteita. He havaitsivat, että orgaanisen SEI-kerroksen kasvu seuraa liuosvälitteistä reittiä: Ensinnäkin SEI-prekursorit, jotka muodostuvat suoraan pinnalle, liittyvät kaukana elektrodin pinnasta.
Sitä seuraava ytimien nopea kasvu johtaa huokoisen kerroksen muodostumiseen, joka lopulta peittää elektrodin pinnan. Nämä havainnot tarjoavat ratkaisun paradoksaaliseen tilanteeseen, että SEI-aineosat voivat muodostua vain lähellä pintaa, jossa elektroneja on saatavilla, mutta niiden kasvu pysähtyy, kun tämä kapea alue peitetään.
Tutkimuksen avulla voidaan kehittää lisäaineita, jota säätelevät SEI-kerrosen ominaisuuksia ja optimoivat akun suorituskykyä ja käyttöikää. Tutkimus on julkaista Advanced Energy Materials -lehdessä.
