Akut lienevät tällä hetkellä yksi maailman tutkituimmista aiheista, kun halutaan pidentää sähköautojen kantamaa ja tulevien sähkölentokoneiden lentomatkoja. Georgian teknillisessä korkeakoulussa on onnistuttu kehittämään alumiinipohjainen katodi, joka varastoi litiumioneja nykyakkuja tehokkaammin.

Hyvä akku vaatii kaksi asiaa: korkean energiatiheyden laitteiden virtalähteenä ja vakauden, jotta se voidaan ladata turvallisesti ja luotettavasti tuhansia kertoja. Viimeisten kolmen vuosikymmenen ajan litiumioniakut ovat hallinneet markkinoita ylivoimaisesti niin älypuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa kuin viime vuosina sähköajoneuvoissa.

Litiumin rajat alkavat tulla vastaan. Kun seuraavan sukupolven pitkän kantaman ajoneuvoja ja sähkölentokoneita alkavat saapua markkinoille, turvallisempien, halvempien ja tehokkaampien akkujärjestelmien etsiminen kiihtyy.

Georgia Institute of Technologyn tutkijaryhmä, jota johtaa apulaisprofessori Matthew McDowell käyttää alumiinifoliota luodakseen akkuja, joiden energiatiheys on suurempi ja jotka ovat vakaampia. Tiimi on esitellyt löydöksiään Nature Communications -lehdessä.

Ajatus akkujen valmistamisesta alumiinilla ei ole uusi. Tutkijat tutkivat sen mahdollisuuksia 1970-luvulla, mutta idea ei toiminut kovin hyvin. Tavanomaisessa litiumioniakussa alumiini murtuu ja hajoaa muutaman lataus-purkausjakson aikana, koska se laajenee ja supistuu litiumioneiden kulkeutuessa materiaaliin ja ulos siitä. Kehittäjät päättelivät, että alumiini ei ollut käyttökelpoinen akkumateriaali, ja idea hylättiin pitkäksi aikaa.

Nyt ns. kiinteän materiaalin ovat tulleet kuvaan. Vaikka litiumioniakut sisältävät syttyvää nestettä, joka voi aiheuttaa tulipalon, ns. solid-state-akut sisältävät kiinteää materiaalia, joka ei ole syttyvää ja siksi ne ovat turvallisempia. Georgia Techin tiimi alkoi tehdä yhteistyötä alumiinin kierrätykseen keskittyvän Novelisin kanssa. Tutkimusryhmä tiesi, että alumiinilla olisi energia-, kustannus- ja valmistusetuja, kun sitä käytetään materiaalina akun anodissa eli negatiivisesti varautuneessa puolessa, joka varastoi litiumia energian tuottamiseksi.

Puhtaat alumiinifoliot epäonnistuivat nopeasti, kun niitä testattiin akuissa. Tutkijat päättivät valita toisenlaisen lähestymistavan. Sen sijaan, että kalvoissa olisi käytetty puhdasta alumiinia, he lisäsivät alumiiniin pieniä määriä muita materiaaleja luodakseen kalvoja, joissa oli tiettyjä "mikrorakenteita". He testasivat yli 100 eri materiaalia ymmärtääkseen, kuinka ne käyttäytyisivät akuissa.

Tiimi havaitsi, että alumiinianodi voisi varastoida enemmän litiumia kuin perinteiset anodimateriaalit ja siten enemmän energiaa. Lopulta he olivat luoneet korkean energiatiheyden akkuja. Suorituskyvyn lisäksi alumiiniakku on hyvin kustannustehokas. Kun alumiinikalvoa käytetään suoraan akkukomponenttina, poistuu välistä paljon valmistusvaiheita, jotka normaalisti vaaditaan akkumateriaalin valmistamiseksi.

McDovellin tiimi työskentelee parhaillaan suurentaakseen akkujen kokoa ymmärtääkseen, kuinka koko vaikuttaa alumiinin käyttäytymiseen. Ryhmä tutkii aktiivisesti myös muita materiaaleja ja mikrorakenteita tavoitteenaan luoda erittäin halpoja kalvoja akkujärjestelmiin.