Coloradon yliopiston Boulderin yksikön tutkijat ovat tunnistaneet mekanismin, joka aiheuttaa akun kulumisen. Tiedon avulla voidaan akkujen kehiaa kehittäviä auttaa suunnittelemaan pidempään kestäviä akkuja.
Tutkimus tunnistaa, kuinka vetymolekyylit häiritsevät akun litiumioneja, ja tarjoaa oivalluksia, jotka voivat johtaa kestävämpään ja kustannustehokkaampaan akkuteknologiaan. Tulokset on julkaistu Science-lehdessä.
Akkujen kapasiteetti heikkenee ajan myötä, minkä vuoksi esimerkiksi vanhemmat matkapuhelimet tyhjenevät nopeammin. Tätä yleistä ilmiötä ei kuitenkaan täysin ymmärretä. Boulderin tutkijoiden johtama kansainvälinen tiimi on paljastanut akun heikkenemisen taustalla olevan mekanismin. Heidän löytönsä voisi auttaa tutkijoita kehittämään parempia akkuja.
Tutkimusta johtaneen Michael Toneyn mukaan löydöt auttavat parantamaan litiumioniakkuja selvittämällä niiden hajoamiseen liittyvät molekyylitason prosessit. Insinöörit ovat työskennelleet vuosia suunnitellakseen litiumioniakkuja – yleisimpiä ladattavia akkuja – ilman kobolttia. Koboltti on kallis harvinainen mineraali, ja sen louhintaprosessi on yhdistetty vakaviin ympäristö- ja ihmisoikeusongelmiin.
Toistaiseksi tutkijat ovat yrittäneet käyttää muita elementtejä, kuten nikkeliä ja magnesiumia, korvaamaan koboltin litiumioniakuissa. Mutta näillä akuilla on vielä korkeampi itsepurkautumisnopeus, jolloin akun sisäiset kemialliset reaktiot vähentävät varastoitunutta energiaa ja heikentävät sen kapasiteettia ajan myötä. Itsepurkautumisen vuoksi useimpien sähköautojen akkujen käyttöikä on 7–10 vuotta, ennen kuin ne on vaihdettava.
Toney ja hänen tiiminsä ryhtyivät tutkimaan itsepurkauksen syytä. Tyypillisessä litiumioniakussa litiumionit, jotka kuljettavat varauksia, siirtyvät akun yhdeltä puolelta eli anodista toiselle puolelle eli katodiin. Ionit siirtyvät pitkin väliainetta eli elektrolyyttiä. Tämän prosessin aikana näiden varautuneiden ionien virtaus muodostaa sähkövirran, joka saa virtansa elektronisille laitteille. Akun lataaminen kääntää ladattujen ionien virtauksen ja palauttaa ne anodille.
Aiemmin tutkijat luulivat akkujen purkautuvan itsestään, koska kaikki litiumionit eivät palaa anodille latauksen aikana, mikä vähentää virran muodostamiseen ja tehon tuottamiseen käytettävissä olevien varattujen ionien määrää. Tehokkaan röntgenin avulla Toneyn tutkimusryhmä havaitsi, että akun elektrolyytin vetymolekyylit siirtyvät katodille ja ottavat kohdat, joihin litiumionit normaalisti sitoutuvat. Tämän seurauksena litiumioneilla on vähemmän sitoutumispaikkoja katodilla, mikä heikentää sähkövirtaa ja akun kapasiteettia.
Itsepurkautumismekanismin ymmärtämisen avulla insinöörit voivat tutkia muutamia tapoja estää prosessi, kuten katodin päällystäminen erityisellä materiaalilla vetymolekyylien estämiseksi tai toisen elektrolyytin käyttäminen. - Nyt kun ymmärrämme, mikä aiheuttaa akkujen heikkenemistä, voimme kertoa akkukemian yhteisölle, mitä on parannettava akkujen suunnittelussa, Toney sanoo.
