Uudenlainen akku tietokoneessa tai puhelimessa latautuu huippunopeasti

Nanotekniikkaa hyödyntävien uudenlaisten litiumioniakkujen jännite on jopa viisi kertaa niin suuri kuin tavallisten akkujen, mikä lyhentää tietokoneen, älypuhelimen tai sähköauton latausaikaa merkittävästi.

Nanotekniikkaa hyödyntävien uudenlaisten litiumioniakkujen jännite on jopa viisi kertaa niin suuri kuin tavallisten akkujen, mikä lyhentää tietokoneen, älypuhelimen tai sähköauton latausaikaa merkittävästi.

Shutterstock

Yhdysvaltalaistutkijat Texas A&M University -yliopistosta ovat luoneet tekniikan, joka saattaa olla suuri kehitysaskel älypuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa ja sähköautoissa käytettäville litiumioniakuille.

Tekniikka perustuu lyhyesti sanottuna siihen, että yhteen akun elektrodiin rakennetaan hiilinanoputkirakenne, jolloin se kestää suurempaa jännittettä ja on muutenkin turvallisempi.

Litiumanodit ovat parempia – ja vaarallisempia

Tavallisessa litiumioniakussa on kummassakin päässä elektrodi, joiden välillä litiumionit liikkuvat akun purkautuessa ja akkua ladattaessa. Akkua ladattaessa ionit siirtyvät negatiiviseen elektrodiin eli anodiin, ja kun akun lataus purkautuu, ionit siirtyvät positiiviseen elektrodiin eli katodiin.

Nykyään anodit valmistetaan tavallisesti grafiitin ja kuparin seoksesta. Pelkästä litiumista valmistettuja anodeja on kuitenkin suunniteltu jo pitkään, sillä ne kasvattaisivat anodin ja sitä myötä koko akun energiatiheyttä merkittävästi. Litiumanodit kymmenkertaistaisivat akun kapasiteetin ja tekisivät myös akun lataamisesta paljon nopeampaa.

Litiumanodien ongelmana on ollut se, että niillä on tapana rikkoontua ajan mittaan. Kun litiumionit kertyvät anodiin, niillä on taipumus paakkuuntua ja muodostaa niin kutsuttuja dendriittejä – pieniä kidemäisiä rakenteita, jotka muistuttavat puita.

Ajan kuluessa dendriitit kasvavat ja voivat lopulta aiheuttaa akun vuotamisen. Tämä taas voi johtaa oikosulkuun ja pahimmillaan jopa räjähdykseen.

Litiumioneilla on taipumus kertyä yhteen ja muodostaa rakenteita - dendriittejä - jotka rikkovat lopulta akun. Nyt tutkijat ovat onnistuneet kehittämään nanoputkirakenteen (punaisella), joka pitää litiumionit paikoillaan ja estää niiden kertymisen yhteen.

© Juran Noh/Texas A&M University College of Engineering

Nanorakenne varmistaa turvallisuuden

Teksasilaistutkijat ovat kehittäneet kiinnostavan ratkaisun, joka mahdollistaa vakaamman litiumanodiakun rakentamisen. Kun pienen pienistä nanoputkista rakennetaan kolmiulotteinen ja huokoinen rakenne, dendriittien muodostuminen estyy.

Nanorakenne on valmistettu hiilestä, joka on osittain päällystetty molekyyleillä, joten se pystyy sitomaan litiumioneja. Anodin jatkeena oleva rakenne sitoo siis litiumioneja niin, etteivät ne pysty paakkuuntumaan anodin pinnalle. Tästä syystä dendriittejä ei muodostu, vaikka anodissa käytettäisiin energiatiheydeltään suurta litiumia.

Toisin sanoen keksintö voi kasvattaa akkujen tehoa ja latausnopeutta merkittävästi ilman, että akun turvallisuus ja kestävyys kärsivät.

Tutkijoiden mukaan heidän paras anodinsa voi sisältää jännitteen, joka on viisi kertaa niin suuri kuin nykyisin markkinoilla olevissa litiumioniakuissa. Näin tehokkaan akun latausaika on vain murto-osa nykyisestä, mikä olisi läpimurto erityisesti sähköautojen kannalta.