Sähköautojen seuraavan sukupolven akkukennojen käyttöikä voi alkaa lyhentyä jo ennen kuin itse akkua on valmistettu. Eteläkorealaisen Hanyang Universityn tutkijat havaitsivat, että katodimateriaalin prekursorin altistuminen ilmalle voi synnyttää kemiallisia muutoksia, jotka myöhemmin nopeuttavat akun kapasiteetin heikkenemistä.
Tutkimus koskee kobolttivapaita, erittäin nikkelipitoisia katodeja, joissa nikkelirikkaan ytimen ympärillä käytetään mangaanipitoista kerrosta. Mangaanin tehtävänä on tavallisesti vakauttaa katodimateriaalia, mutta tutkijoiden mukaan se voi väärissä valmistusolosuhteissa muuttua päinvastoin akun hajoamista kiihdyttäväksi tekijäksi.
Kun prekursorimateriaalia säilytettiin ilmalle alttiina, hiukkasten pinnalla oleva mangaani hapettui. Tämä synnytti niin sanottuja Jahn–Teller-vääristyneitä mangaanilajeja ja rakenteellisesti viallisia pinta-alueita.
Valmiissa kennossa nämä alueet reagoivat voimakkaasti elektrolyytin kanssa. Seurauksena oli elektrolyytin hajoamista, siirtymämetallien liukenemista sekä haitallisia reaktioita grafiittianodilla. Nikkelirikkaissa kennoissa ilmaan altistuminen lähes kaksinkertaisti kapasiteetin hiipumisnopeuden pitkäkestoisissa syklitesteissä.
– Havaitsimme, että mangaanipitoinen kuori, jonka pitäisi suojata nikkelirikasta katodia, voikin toimia hajoamista katalysoivana tekijänä, jos prekursorin kemiaa ei hallita tarkasti, tutkimusta johtanut professori Jin Ho Bang sanoo.
Tutkijat löysivät ongelmaan myös verrattain yksinkertaisen ratkaisun. Lisäämällä synteesissä käytettävän litiumin ylimäärää he pystyivät estämään viallisen pintafaasin muodostumista ja vakauttamaan mangaanin ja hapen välisiä sidoksia. Näin valmistetut katodit säilyttivät yli 90 prosenttia alkuperäisestä kapasiteetistaan.
Tulokset viittaavat siihen, että akkuteollisuudessa myös prekursorimateriaalien varastointi- ja käsittelyolosuhteet voivat vaikuttaa ratkaisevasti valmiiden kennojen käyttöikään. Parempi materiaalien hallinta ja litiumin määrän optimointi voisivat parantaa kestävyyttä ilman uusia pinnoitteita tai suuria muutoksia tuotantolinjoihin.
Tutkimus julkaistiin Energy & Environmental Science -lehdessä.
