Itä-Suomen yliopiston akkututkijat ovat kehittäneet uudenlaisen mesohuokoisen piikalvoanodin litiumioniakuille. Uudessa kalvoelektrodissa ei tarvita lainkaan hiiltä eikä sideaineita kuten suspensiopohjaisissa elektrodeissa.

Itä-Suomen yliopistossa kehitetty elektrodi tarjoaa tehokkaan tavan tuottaa korkean energiatiheyden litiumioniakkuja. Varsinkin kun korkean suorituskyvyn litiumioniakuille on kova kysyntä, sillä niitä voidaan hyödyntää laajasti kannettavassa elektroniikassa sekä sähkö- ja hybridiajoneuvoissa.

Piitä pidetään kaikkein lupaavimpana anodimateriaalina seuraavan sukupolven litiumioniakkuissa, sillä piillä on korkea teoreettinen ominaiskapasiteetti ja turvallinen sähkökemiallinen potentiaali. Piianodin tilavuus kuitenkin vaihtelee merkittävästi akun lataus- ja purkusyklin aikana, mikä aiheuttaa galvaanisen kontaktin häviämisen akkukomponenttien välillä. Tämä johtaa lopulta akun toimimattomuuteen.

Piielektrodin suorituskyvyn parantaminen on maailmanlaajuisen aktiivisen kehitystoiminnan kohteena. Itä-Suomen yliopiston akkutukijat ovat hyödyntäneet sähkökemiallista syövytysmenetelmää kehittäessään mesohuokoista piikalvoanodia litiumioniakuille.

Ajatuksena on, että mesohuokoisen piin huokoset ottavat vastaan tilavuuden laajenemisen ja supistumisen akun lataus- ja purkusylkin aikana, mikä parantaa latauksen vakautta. Tutkijat hyödynsivät korrelaatioanalyysiä selvittääkseen huokosominaisuuksien yhteyksiä elektrodin suorituskykyyn.

Korrelaatioanalyysi osoitti, että sekä reversiibelillä ominaiskapasiteetilla että alkuperäisellä coulombisella hyötysuhteella oli vahva negatiivinen korrelaatio huokoisuuden ja pinta-alan kanssa, kun taas akun lataus- ja purkusyklin suorituskyvyn sanelee kalvon paksuus eivätkä niinkään huokosominaisuudet.

Positiivinen korrelaatio havaittiin pitkän aikavälin lataus- ja purkuvakauden ja huokosten halkaisijan välillä. Paras piikalvoanodi tuotti 81 prosentin alkuperäisen coulombisen hyötysuhteen ja yli 450 vakaata lataus- ja purkusykliä, kun kapasiteetti oli rajoitettu noin kolminkertaiseksi nykyisin käytettävään grafiitti-anodin kapasiteettiin verrattuna.

Tutkimus antaa suuntaa huokoisen piimateriaalin käytölle korkean suorituskyvyn litiumioniakuissa. Se tarjoaa akkumateriaalien ja erityisesti piianodien tutkijoille lisätietoa materiaaliominaisuuksista, jotka vaikuttavat piielektrodien suorituskykyyn. Tutkimusta rahoitti Suomen Akatemia.

Lisää: Tutkimusartikkel. Self-Standing Mesoporous Si Films as Anodes for Lithium-Ion Microbatteries. J. Power Sources 2022,  Xiuyun Zhao, Nathiya Kalidas ja Vesa-Pekka Lehto (LINKKI).

Kuva: Pyyhkäisyelektronimikroskooppilla otettu poikittaiskuva optimaalisesta piikalvosta latauksen jälkeen.