Litiumioniakkujen eliniän parantaminen

Litiumioniakkujen määrän on ennustettu kasvavan voimakkaasti tulevaisuudessa, ja niinpä niiden kestävän tuotannon takaaminen on erityisen tärkeää. Litiumioniakkujen ympäristöystävällisyyttä on yritetty parantaa useilla erilaisilla keinoilla. Elektrodien valmistuksessa käytettäviä haitallisia liuottimia on pyritty korvaamaan, tai jos se ei ole onnistunut, niiden käyttöä on pyritty vähentämään. Myös ympäristölle haitallisia elektrodikemikaaleja on pyritty korvaamaan ympäristöystävällisimmillä kemikaaleilla, esim. LiFePO4:llä. Akkumetallien kierrätystä on tutkittu myös paljon, esimerkiksi juuri CloseLoop-projektissa.

Litiumioniakkujen ympäristöystävällisyyttä voi parantaa myös pidentämällä niiden elinikää. Mitä kauemmin akku toimii, sitä harvemmin se täytyy vaihtaa, ja sitä vähemmän luonnonvaroja kuluu. Tällä hetkellä tyypillisen matkapuhelimen akun elinikä on 500-1000 sykliä. Toisin sanoen, akun voi purkaa tyhjäksi ja ladata täyteen näin monta kertaa. Tämän jälkeen akun kapasiteetti on laskenut alle 80 % alkuperäisestä kapasiteetista. Akkua pystyy halutessaan käyttämään vielä tämän 80% alittamisen jälkeen, mutta kapasiteetin heiketessä akkua pitää ladata yhä tiheämmin.

Yksi tavallisimpia ikääntymisen syitä on elektrolyytin reagointi elektrodeilla. Erityisen suuri ongelma tämä on hiilipohjaisilla elektrodeilla, joilla elektrolyytti reagoi muodostaen elektrodin päälle erilaisista litiumin yhdisteistä koostuvan SEI-kerroksen (solid electrolyte interface). Muutaman ensimmäisen lataus-purku-syklin jälkeen kerroksen kasvu stabiloituu, mutta ei koskaan lakkaa, ja syklauksen jatkuessa pitkään kerros sekä kasvattaa kennon impedanssia, että kuluttaa litiumia. Vastaavia, tosin useimmiten ohuempia, kerroksia syntyy myös muilla elektrodeilla. Näihin pyritään tyypillisesti vaikuttamaan erilaisilla lisäaineilla.

Myös monet muut seikat vaikuttavat litiumioniakkujen ikääntymiseen. Akun säilytys- ja käyttölämpötilat vaikuttavat siihen selvästi. Esimerkiksi jo hieman yli 30 °C:n lämpötilat nopeuttavat ikääntymistä verrattuna huoneenlämpöön. Myös akun valmistajan määrittämät lataus- ja purkuvirrat vaikuttavat elinikään. Yksi parhaista tavoista hidastaa ikääntymistä on madaltaa latauksen ja nostaa purun katkaisujännitettä. Tällöin akkua ei ladata täyteen tai pureta tyhjäksi, joten akusta saatu kapasiteetti pienenee, mutta elinikä kasvaa.

Yllä mainitut seikat liittyvät selvästi akun käyttöön. Myös materiaalikehityksessä yritetään löytää mahdollisimman pitkäikäisiä materiaaleja. Tutkimustyössä selvitetään muun muassa materiaalien ikääntymismekanismeja, ja mietitään miten mekanismeja saa hidastettua tai estettyä. Keinoja löytyy esimerkiksi elektrolyyttien lisäaineista, elektrodimateriaalien seostamisesta tai elektrodin morfologiasta. Vaikka monia ratkaisuja löytyy, vain harvoin sama ratkaisu toimii samanlaisena usealle eri materiaalille. Näin ollen uusia vaihtoehtoja etsitään jatkuvasti.

Kuva 1. Elektrodivedoksia materiaalitestausta varten.

Share on LinkedInShare on FacebookTweet about this on TwitterShare on Google+