Litium-ioni-akkujen nano- ja mikrorakenteista

ETH-Zurichin tutkijat ovat hyödyntäneet röntgentomografiaa, tutkiakseen nykyisten litiumioniakkujen elektrodien mikrorakennetta. Tarkoitus on auttaa ymmärtämään akun purkua ja latausta paremmin ja auttaa kehittämään optimoidumpia elektrodeja.

Tutkimuksen mukaan elektrodit sisältävät lukuisia erimuotoisia ja kokoisia hiukkasia, joista pienemmät esiintyvät katodin reunalla ja suuremmat sisäosissa. Pienemmät hiukkaset muodostavat tiiviimmän rakenteen, kun taas suuremmilla hiukkasilla on taipumus sitoutua löysemmin ja tarjoten siten enemmän huokosta tilaa. Hiukkasien koolla, jakaantumisella ja kokoonpanolla on suuri vaikutus akun purkamisen ja latauksen nopeuteen.

Lisäksi litium-ionien virtauksista havaittiin, että mitä enemmän virtaus mutkittelee, sitä hitaammin akku latautuu tai purkautuu. Pyöreillä hiukkasilla on myönteinen vaikutus virtaukseen sillä levymäinen anodi tuottaa osalle ionivirtaa epäsuotuisat reitit.

Grafiittielektrodeilla tilannetta voitaisiin parantaa käyttämällä pyöreitä grafiittihiukkasia. Haittapuoli on, että jopa seitsemänkymmentä prosenttia arvokkaasta raaka-aineesta menee tällöin valmistusvaiheessa hukkaan.

Toisessa tutkimuksessa ETH Zurichin ja EMPA:n kemistit ovat kehitelleet uutta nanomateriaalia litium-ioni-akuille. Materiaali muodostuu pienistä tinakiteistä, joita käytettäisiin akun anodissa.

Tina olisi ideaalinen tähän tarkoitukseen sillä jokainen tina-atomi voi absorboida ainakin neljä litium-ionia. Haasteena on kuitenkin vastaavien piinanokiteiden tapaan käsitellä tinaelektrodien tilavuuden muutosta. Tinakiteestä tulee jopa kolme kertaa suurempi, kun se absorboi paljon litiumioneja ja kutistuu vapauttaessaan ne.

Ongelman hallitsemiseksi tutkijat tuottivat alan yhtenäisimmät ja pienimmät tinananokiteet ja upottivat niitä suuria määrä huokoiseen, johtavaan ja läpäisevään hiilimatriisiin. Ratkaisun avulla saattoi elektrodeihin varastoida perinteisiin verrattuna kaksi kertaa enemmän energiaa.

Akut, joiden elektrodeissa käytettiin kymmenen nanometrin kiteitä, pystyivät varaamaan huomattavasti enemmän energiaa kuin ne, joiden kiteiden halkaisija oli kaksinkertainen toteavat tutkijat.