Harvard yliopiston SEAS-koulussa (John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciencesissa) on kehitetty litiummetalliakku, joka voidaan ladata ja purkaa vähintään 6000 kertaa. Lisäksi akku voidaan ladata vain 10 minuutissa. Innovaatio voisi mullistaa sähköautoilun.
Nature Materials -lehdessä julkaistu tutkimus kuvaa uutta tapaa valmistaa kiinteän elektrolyytin akkuja litiummetallianodilla. SEASin materiaalitieteen apulaisprofessori Xin Lin mukaan litiummetallianodiakku on eräänlainen akkutekniikan Graalin malja, koska niiden kapasiteetti on kymmenen kertaa suurempi kuin kaupallisten grafiittianodien ja ne voivat pidentää merkittävästi sähköajoneuvojen ajomatkaa.
Yksi suurimmista haasteista puolijohdeakkujen suunnittelussa on dendriittien muodostuminen anodin pinnalle. Dendriitit ovat metallin ulokkeita, jotka voivat kerääntyä litiumin pinnalle ja kasvaa kuin juuret elektrolyyttiin. Ne lävistävät anodin ja katodin erottavan eristeen, ja voivat aiheuttaa akun oikosulun tai jopa syttymisen.
Dendriitit muodostuvat, kun litiumionit siirtyvät katodilta anodille latauksen aikana ja kiinnittyvät anodin pintaan prosessissa, jota kutsutaan pinnoitukseksi. Tämä luo anodille epätasaisen, epähomogeenisen pinnan ja mahdollistaa dendriitin juurtumisen.
Plakkimainen pinnoite on irrotettava anodista, ja kun pinnoitus on epätasaista, kuorintaprosessi voi olla hidasta ja aiheuttaa kuoppia, jotka aiheuttavat vielä epätasaisempaa pinnoitusta seuraavassa latauksessa.
Vuonna 2021 SEAS:n tiimi suunnitteli monikerroksisen akun, joka välitti anodin ja katodin välillä erilaisia materiaaleja, joiden stabiilisuus vaihtelee. Tämä rakenne esti litiumdendriittien muodostumista säätelemällä ja hillitsemällä niitä – mutta se ei estänyt niitä kokonaan. Uusimmassa tutkimuksessa tutkijat estävät dendriittien muodostumisen käyttämällä anodissa mikronin kokoisia piihiukkasia supistaakseen litiaatioreaktiota ja helpottaakseen paksun litiummetallikerroksen homogeenista pinnoitusta.
Harvardin tutkijoiden suunnitelmassa litiumionien siirtyessä katodista anodille latauksen aikana litiumreaktio kutistuu matalalla pinnalla ja ionit kiinnittyvät piihiukkasen pintaan, mutta eivät tunkeudu pidemmälle. Ja koska pinnoitus ja kuoriminen voivat tapahtua nopeasti tasaisella pinnalla, akku latautuu noin 10 minuutissa.
