Kannettavista tietokoneista älypuhelimiin kasvavaan sähköautoteollisuuteen asti maailmamme on entistä riippuvaisempi ladattavista akkuista. Mutta kuten kuka tahansa, joka on omistanut kannettavan tietokoneen yli muutaman vuoden, akut lopulta menettävät kykynsä pitää täyden latauksen.
Tutkijat eivät koskaan ymmärtäneet miksi näin tapahtuu, mikä on tehnyt siitä vaikean ongelman korjaamisen. Mutta Yhdysvaltain energiaministeriön tutkijoiden äskettäisten tutkimusten mukaan, jotka on julkaistu Nature Communications -lehdessä, voimme olla lähempänä kuin koskaan akkua, joka ei hajoa.
Työskentelemällä erityisesti litium-ioni-akkujen kanssa, joita käytetään yleisesti kuluttajalaitteissa kevyensä ja suuren kapasiteettinsa vuoksi, tutkijat ovat kartoittaneet lataus- ja purkausprosessin miljardiin metriin metriä ymmärtääksesi paremmin, kuinka hajoaminen toimii. He löysivät kaksi syyllistä akun huonontumiseen. Ensimmäinen: akkumateriaalin rakenteen mikroskooppiset haavoittuvuudet ohjaavat litiumioneja sattumanvaraisesti solun läpi, syövyttäen akun näennäisesti sattumanvaraisella tavalla, aivan kuten ruoste leviää teräksen puutteisiin. Toisessa tutkimuksessa, joka keskittyi parhaan tasapainon löytämiseen jännitteen, varastointikapasiteetin ja enimmäislataussyklien välillä, tutkijat löysivät paitsi samanlaisia ongelmia ionivirtauksen kanssa, mutta myös pieniä nanomittakaavaisten kiteiden kertymiä kemiallisista reaktioista, jotka aiheuttavat ionien virtaus muuttuu entistä epäsäännöllisemmäksi jokaisen varauksen jälkeen. Käynnissä paristot suuremmalla jännitteellä johti myös useampaan ionireitin epäsäännöllisyyteen, ja siten nopeasti heikentyvään akkuun.
Asiaan liittyvä sisältö
- Sähköautot voivat tehdä kaupungeista viileämmiksi
Vaikuttaa siltä, että tutkijoiden olisi pitänyt täysin ymmärtää akku - tekniikka, joka on käytännössä ollut olemassa vuodesta 1800 lähtien - vuosikymmeniä sitten. Mutta Brookhaven Labin materiaalitieteilijä ja molempien tutkimusten avustaja Huolin Xin sanoo, että voittava yhdistelmä uusia tekniikoita tuli markkinoille vasta äskettäin.
"Monia huipputeknisiä karakterisointityökaluja, kuten aberraatiokorjatut elektronimikroskoopit ja uudet synkrotroniröntgentekniikat, ei ollut saatavilla 10 vuotta sitten", Xin sanoo. Mutta nyt, hän sanoo, niitä voidaan soveltaa litium-ioni-akkujen tutkimukseen.
Uudet tiedot antavat tutkijoille selkeämmän kuvan näiden paristojen toiminnasta, mikä voi johtaa pidempään kestäviin akkuihin kulutuselektroniikassa ei liian kaukaisessa tulevaisuudessa. Mutta se tuo myös uusia ongelmia. Xinin mukaan pinta-alan maksimointi on tärkeää akun suorituskyvylle, mutta myös suurempi pinta-ala helpottaa todennäköisesti hajoamista.
"[Pinnan hajoamisen] estämiseksi voimme joko päällystää katodin suojakerroksella, " Xin sanoo, "tai piilottaa nämä pinnat luomalla rajoja mikronikokoisissa jauheissa [solun sisällä]."
Tehokkaimpien, kustannustehokkaimpien tapojen löytäminen tähän on osa tulevaisuuden tutkimusvaihetta.
Mutta Chicagon ulkopuolella Argonnen kansallisessa laboratoriossa litium-ioniakkujen tutkimukseen keskittynyt tutkija Daniel Abraham on skeptinen, että uudet tutkimukset edustavat todellista läpimurtoa. Hänen mukaansa vastaavien materiaalien kartoitustyötä on tehty aiemmin, mukaan lukien hänen tiiminsä noin 12 vuotta sitten. Hän uskoo myös, että akun huonontumisessa voi olla enemmän kuin mitä uudet tutkimukset ovat löytäneet.
"He yrittävät tehdä korrelaation suorituskyvyn heikkenemisen ja heidän näkemiensä kuvien välillä, mikä ei välttämättä ole oikein", Abraham sanoo. "Se on osittain tarina, mutta en usko, että se on koko tarina."
Xin on optimistisempi, että työ johtaa akkujen parannuksiin paitsi tuleville sähköajoneuvoille myös kannettavalle elektroniikalle.
"Litium-nikkeli-mangaani-koboltti-oksidikatodi on äskettäin tunnistettu ainoaksi kaupallisesti kannattavaksi materiaaliksi seuraavan sukupolven litium-ioni-akkuille", Xin sanoo. "Ratkaisemalla sen huonontumisongelman voimme pienentää seuraavan sukupolven akkuja ja saada ne latautumaan ja purkautumaan luotettavammin."
Kaksi akkuasiantuntijaa ovat kuitenkin yhtä mieltä siitä, että monille tärkeille tulevaisuuden sovelluksille tavan löytäminen akkuista, jotka eivät kulu yhtä nopeasti, on yhtä tärkeää kuin suuremman kapasiteetin paristojen luominen.
Xin huomauttaa, että sähköautojen ostajat ovat oikeutetusti huolissaan akkuvirheistä takuun voimassaolon päättyessä. Abraham huomauttaa, että vaikka tarvitset todennäköisesti vain muutaman vuoden suorituskyvyn älypuhelimesta tai tablet-akusta, sähköautoissa suurin osa omistajista etsii akkua, joka kestää 10–15 vuotta. Ja käytettäväksi sähköverkossa (ylimääräisen energian varastointiin ruuhka-aikoina) paristojen tulisi kestää vähintään 30 vuotta.
Se tekee kannettavalle tietokoneellesi paremman akun rakentamisen paljon helpompaa kuin pitkäikäisyysongelmien ratkaiseminen muilla alueilla.
"On hyvä, että korkeampi energiatiheys on, mutta jos saat suuren energiatiheyden, mutta et pitkä käyttöikä, kyseisten tekniikoiden kaupallinen kannattavuus on kyseenalainen", Abraham sanoo. "Ottaa huomioon, että jos pystyt osoittamaan, että sinulla on uusi tekniikka ja se voi kestää 2–30 vuotta, siitä tulee heti elinkelpoista kaupallisesti."
Vaikka Xinin ja hänen kollegoidensa työ voi auttaa tutkijoita luomaan paristoja, jotka eivät hajoa yhtä nopeasti, on selvää, että tarvitaan uusia läpimurtoja ennen kuin näemme ladattavat paristot, jotka kestävät vähintään kymmenen vuotta ilman vakavaa kulumista.
