Sähköautojen akkujen kapasiteetti ja suorituskyky heikkenevät ajan myötä. Ilmiö on tuttu käyttäjille ja valmistajille. Nyt tutkijat ovat tunnistaneet yhden keskeisen syyn tähän heikkenemiseen. Löydös koskee erityisesti NMC-katodeihin perustuvia litiumioniakkuja, joita käytetään laajasti nykyisissä sähköautoissa.
Viime vuosina akkuvalmistajat ovat siirtyneet yhä enemmän yksikiteisiin eli single-crystal NMC-katodeihin. Niiden on uskottu kestävän paremmin kuin perinteiset monikiteiset rakenteet. Ajatus on ollut, että ilman raerajoja katodi ei halkeile yhtä helposti latauksen ja purun aikana.
Tutkimus osoittaa, että oletus on ollut puutteellinen. Yksikiteiset katodit hajoavat, mutta eri syystä kuin monikiteiset. Halkeilu ei synny kiteiden välisistä rajoista. Se syntyy yhden ja saman kiteen sisällä.
Tutkijat havaitsivat, että yksittäinen katodihiukkanen ei reagoi tasaisesti koko tilavuudeltaan. Litium ei liiku kaikkialla samaan tahtiin. Osa kiteestä latautuu ja purkautuu nopeammin kuin toinen osa. Tämä synnyttää sisäisiä mekaanisia jännityksiä.
Kun jännitykset kasvavat riittävän suuriksi, kide alkaa murtua sisältä päin. Seuraukset näkyvät suoraan akun toiminnassa. Osa aktiivisesta materiaalista irtoaa käytöstä. Akun sisäinen vastus kasvaa. Teho heikkenee. Kapasiteetti pienenee latausjaksojen myötä.
Kyse ei yleensä ole äkillisestä viasta tai akun nopeasta rikkoutumisesta. Kyse on hitaasta hiipumisesta, joka lyhentää akun käyttöikää ja heikentää suorituskykyä vuosien aikana.
Löydös koskee erityisesti korkean energiatiheyden NMC-akkuja, joita käytetään pitkän toimintamatkan sähköautoissa. NMC-tekniikka on yleinen erityisesti Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa. Siksi tutkimus liittyy suoraan nykyisiin ja lähivuosien sähköautomalleihin.
Tutkimuksessa havaittiin myös, että yksikiteisissä katodeissa materiaalien roolit poikkeavat aiemmista oletuksista. Mangaani osoittautui mekaanisesti haitallisemmaksi kuin on uskottu. Koboltti sen sijaan paransi rakenteen kestävyyttä ja hidasti heikkenemistä.
Tulos on merkittävä, koska akkuteknologian kehitys on pyrkinyt vähentämään koboltin käyttöä kustannusten ja saatavuuden vuoksi. Nyt tutkijoiden mukaan seuraava haaste on löytää edullisempia materiaaleja, jotka tarjoavat saman mekaanisen hyödyn kuin koboltti.
Tutkimus ei selitä kaikkia sähköautojen akkujen ikääntymisilmiöitä. Anodin muutokset, elektrolyytin hajoaminen ja lämpötila vaikuttavat edelleen. Mutta se ratkaisee yhden keskeisen arvoituksen. Se selittää, miksi yksikiteiset NMC-katodit eivät ole käytännössä aina kestäneet niin hyvin kuin on odotettu. Samalla se antaa valmistajille selkeän suunnan akkujen seuraavaa kehitysvaihetta varten.
Kuva: Chicagon yliopisto, John Zich
