Eteläkorealaisen KAISTin (Korea Advanced Institute of Science and Technology.) tutkijat ovat hyödyntäneet puolijohteiden valmistuksesta tuttua nanokuviointia anodittoman litium-metalliakun kestävyyden parantamiseen. Nanorakenteinen kuparipinta ja vain noin 10 nanometrin MXene-kerros saavat litiumin kerrostumaan tasaisemmin ja ehkäisevät akkua vaurioittavien dendriittien muodostumista.
Anodittomia litium-metalliakkuja pidetään kiinnostavana keinona kasvattaa akkujen energiatiheyttä. Niissä perinteinen grafiittianodi jätetään kokonaan pois ja litium kerrostuu latauksen aikana suoraan kupariselle virrankerääjälle. Näin voidaan säästää sekä tilaa että painoa.
Ratkaisu tuo kuitenkin mukanaan ongelman. Litium ei kerrostu tasaisesti paljaalle kuparille, vaan muodostaa helposti dendriittejä. Samalla litiumin ja elektrolyytin välille muodostuva SEI-rajapintakerros jää epävakaaksi ja litiumia menetetään peruuttamattomasti lataus- ja purkaussyklien aikana.
KAISTin tutkijat valmistivat kupariselle virrankerääjälle secondary sputtering lithography- eli SSL-menetelmällä kolmiulotteisen nanoputkirakenteen. Noin 300 nanometrin läpimittaiset ja 150 nanometrin korkuiset rakenteet kasvattavat litiumin käytettävissä olevan pinta-alan noin nelinkertaiseksi tasaiseen kuparikalvoon verrattuna. Näin litium pääsee leviämään suuremmalle alueelle sen sijaan, että se keskittyisi yksittäisiin kohtiin.
Nanorakenne päällystettiin noin 10 nanometrin paksuisella TiâCâTâ-MXene-kerroksella. Se ei varsinaisesti muodosta akun lopullista suojakerrosta, vaan ohjaa elektrolyytin PFââ»-anionien adsorptiota ja edistää litiumfluoridia sisältävän tasaisen SEI-kerroksen syntymistä. LiF-rikas epäorgaaninen rajapinta vähentää litiumin ja elektrolyytin haitallisia sivureaktioita.
Tutkijat testasivat rakennetta anodittomassa nappikennossa, jossa käytettiin NCM811-katodia ja vain vähän elektrolyyttiä. 125 lataus-purkaussyklin jälkeen MXene-pinnoitetulla nanorakenteisella kuparilla toteutettu kenno saavutti 78,1 mAh/g kapasiteetin ja 99,06 prosentin coulombisen hyötysuhteen. Paljaalla kuparilla vastaavat arvot jäivät 44,9 mAh/g ja 95,01 prosenttiin.
Tutkimusta johtaneen KAISTin professori Jinwoo Leen mukaan tulokset osoittavat, että puolijohdevalmistuksessa kehitettyjä erittäin hienoja valmistusmenetelmiä voidaan käyttää sekä litiumin kerrostumisen ohjaamiseen että vakaan suojakerroksen muodostamiseen ilman ylimääräisen litiumin lisäämistä tai elektrolyytin koostumuksen muuttamista.
Tutkimukseen osallistuivat KAISTin lisäksi Kyungpook National University ja National NanoFab Center. Tulokset julkaistiin Advanced Functional Materials -lehdessä.
Kuva: KAIST (AI-generoitu).
