Teoriassa, litiumrikkiakut voivat antaa huomattavasti enemmän energiaa kuin nykypäivän litiumioniakut, mutta nykyiset kokeilumallit osoittavat selvää kapasiteetin menetystä vain muutaman lataussyklin jälkeen. Tästä syystä tutkijat ympäri maailmaa pyrkivät kehittämään katodimateriaaleja, jotka voivat kemiallisesti tai fysikaalisesti rajoittaa eli kapseloida polysulfideja.
Tähän sopivat esimerkiksi esimerkiksi titaanidioksidista (TiO2) valmistetut nanohiukkaset. Joukko Helmholtz-Zentrum Berlinin (HZB) tutkijoita on valmistanut nanomateriaalia, joka on tehty titaanioksidiyhdisteen (Ti4O7) partikkeleista.
Niille on ominaista erittäin suuri pinta-ala (592 m2/g) ja sitä on testattu katodimateriaaliksi litiumrikkiakuille. Tämä erittäin huokoinen nanomateriaali omaa suuren tallennuskapasiteetin, joka pysyy lähes vakiona lukuisien latauksen syklien ajan.
HZB:n ryhmä on nyt valmistanut katodimateriaalia, jossa nanopartikkelit tarjoavat sulkeuman rikille. Ne muodostuvat Ti4O7-molekyyleistä, jotka ovat järjestyneet huokoisiksi pallomaisiksi muodostelmiksi. Nämä huokoiset nanopartikkelit sitovat polysulfidit huomattavasti tehokkaammin kuin tavanomaiset TiO2-nanohiukkaset.
Materiaalin ominaiskapasiteetti grammaa kohti on 1219 mAh, kun esimerkiksi katodimateriaaliksi valmistetun TiO2 nanohiukkasilla se on 683 mAh/g. Materiaalin johtavuutta on mahdollista parantaa kerroksella hiiltä. Tutkijat ovat kehittäneet sille jo erityisen valmistusprosessin, joka voidaan siirtää kaupalliseen tuotantoon.
Materiaalitutkijat Paul Scherrer instituutista ovat yhteistyössä Université Grenoble Alpesin (Ranska) kanssa kehittäneet menetelmän, joka saattaa mahdollistaa läpimurron litiumrikkiakuille.
Uudenlaisilla tutkimusmenetelmillä tutkijat saivat tietoa siitä, miten nopeasti litiumrikkiakun kapasiteetin menetys tapahtuu. Menetelmässä käytettiin elektrolyyttiin tuotuja lasikuituja tutkimuksen apuvälineenä mutta yllättäen ne paransivatkin akun toimintakykyä.
Jo aiemmin eräät tutkijat ovat osoittaneet, että kvartsijauhe vuorovaikuttaa materiaalien kanssa litiumrikkiakuissa. Nyt havaittiin, että kvartsi sitoo akkua pilaavia polysulfideja samalla tavalla kuin saippua sitoo likaa. Tämä lisää ja säilyttää latauksen kapasiteettia, koska akun sisäosa pysyy puhtaana ja toimintakykyisiä pidemmän aikaa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 23.5.2017
