Ei uusia materiaaleja, ei uusia teknologioita: lisäaine ja ”yksinkertainen” kemiallinen reaktio voivat antaa uuden elämän maailman johtavalle teknologialle.
Olipa kyseessä sitten matkapuhelin, kannettava tietokone, Nintendo Switch tai Dyson-imuri, akun käyttöikä lyhenee käytön myötä. Kyllä, litiumioniakut ovat muuttaneet maailmaa ja olleet vuosien ajan ehdoton standardi kulutuselektroniikassa, mutta niiden väistämätön haittapuoli on ajan myötä tapahtuva heikkeneminen. Etsiessään vaihtoehtoja tälle teknologialle tutkijaryhmä löysi lupaavan ratkaisun näennäisen yksinkertaisesta kemiallisesta modifikaatiosta.
Löytö. Tämän tutkimuksen pääidea ei ole muuttaa akun perusmateriaaleja, vaan lisätä vain pieni määrä lisäainetta: litiumdifluorifosfaattia. Sen olemassaolo ei ole uusi, mutta tämä tutkimus, jonka on tehnyt professori Chunsheng Wang Marylandin yliopistosta, osoittaa, kuinka tehokas se on akkujen stabiloinnissa.
Miksi tämä on tärkeää? Koska litiumioniakut ovat hyvin yleisiä, ja tämä muutos pidentää akkujen käyttöikää käyttämällä tavallista, edullista kemiallista koostumusta. Kokeilun tuloksena havaittiin, että tätä lisäainetta voidaan käyttää akkujen optimointiin maksimaalisen tehon ja energian saavuttamiseksi sekä käyttöiän ja vakauden lisäämiseksi.
Käytännössä tutkimus osoittaa, kuinka tämä muunnos johti merkittävään kapasiteetin kasvuun satojen lataus- ja purkausjaksojen jälkeen. Kuten Van selittää, ”tämä on suhteellisen yksinkertainen muunnos olemassa oleviin akkuihin”. Toisin sanoen, kun turvallisuustestit ja pitkät käyttöjaksot on suoritettu, ”se voi tulla kuluttajien saataville”.
Lyhyt kuvaus akun toimintaperiaatteesta. Litiumioniakut koostuvat negatiivisesta anodista ja positiivisesta katodista, joiden välissä on huokoinen erotin. Koko rakenne on upotettu elektrolyyttiin, jonka tarkoituksena on siirtää litiumioneja elektrodien välillä lataamisen ja purkamisen aikana.
Purkautumisen aikana anodi vapauttaa elektroneja sähköpiiriin (laitteen virransyöttöön) ja ioneja elektrolyyttiin, jossa ne yhdistyvät uudelleen katodissa. Lataamisen aikana ulkoinen lähde (laturi) kääntää tämän prosessin päinvastaiseksi ”pumppaamalla” ionit takaisin anodiin energian varastoimiseksi kemialliseen rakenteeseen. Kapasiteetin heikkeneminen käytön aikana johtuu litiumin peruuttamattomasta menetyksestä toissijaisten kemiallisten reaktioiden ja elektrodien mekaanisen väsymisen seurauksena.
Lisätietoja. Jos syvennämme hieman edellistä selitystä, löydämme kiinteän elektrolyyttirajapinnan (SEI) – ohuen kerroksen, joka muodostuu anodille ensimmäisten latausten aikana. Tavallisissa akuissa tämä kerros on hauras ja hajoaa käytön aikana, kuluttaen litiumia ja lyhentäen akun käyttöikää.
Yksinkertaisen, orgaanisesta kemiasta inspiraationsa saaneen reaktion ansiosta tämä lisäaine tekee elektrolyytistä alttiimman elektronien vastaanottamiselle, mikä hillitsee hajoamista. Lyhyesti sanottuna se edistää kestävämmän, joustavamman ja homogeenisemman elektrolyyttisen elektrodin (SEI) muodostumista toimimalla suojana, joka estää elektrolyytin haitalliset reaktiot elektrodien kanssa. Lisäksi se on joustava kemiallinen koostumus, jota voidaan säätää suuremman tai pienemmän suojan saavuttamiseksi, ja lisäaineen läsnäolo minimoi katodin halkeilun.
