Litiumpolymeeriakku

Ihanaa: akku, joka ei räjähdä

Niitä on nykyisin joka puolella, isompia ja pienempiä: litiumpolymeeriakkuja.

Kun känny räjähtää, Tesla-sähköauto syttyi tuleen tai Boeingin uudet Dreamlinerit pysyivät maassa kuukausikaupalla, oli syypää akkutekniikka. Tarkemmin sanottuma akku, joka ylikuumeni ja leimahti liekkeihin. Litiumiin perustuvalla akkutekniikalla on ikävä taipumus syttyä tuleen, jos lataamisessa menee jokin vikaan. Siksi litiumioniakut tarvitsevat lähes elektroniikkaa, joka valvoo jatkuvasti akuston kennojen jännitettä ja lämpötilaa sekä tasaa kennojen varausta. 

Nyt Pohjois-Carolinan yliopiston Chapel Hillin kampuksen tutkijan Joseph DeSimonen vetämä tutkimusryhmä on keksinyt uudenlaisen polymeerin, mikä kesyttää akkupalot. Ainakin toivottavasti. Keksintö on periaatteessa yksinkertainen, mutta käytännössä vaikea temppu korvata akkujen etästabiilit ja siksi paloherkät aineet rauhallisesti käyttäytyvällä polymeerillä.

Suurin osa nyt käytössä olevista litiumioniakuista on jo polymeeriakkuja. Niissä litium on polymeerissä orgaanisen liuottimen sijaan. Verrattuna aikaisempiin litiumioniakkuihin polymeeriakut ovat helposti muotoiltavissa, ne ovat lujempia ja edullisempiua valmistaa.

Kummassakin tapauksessa akun toiminta perustuu siihen, että akun positiivinen elektrodi (katodi) on valmistettu litiumoksidista ja negatiivinen (anodi) grafiitista tai muusta hiilipohjaisesta aineesta. Kun akku latautuu, litiumionit kulkevat anodista katodiin, ja varauksen purkautuessa liikenne on toiseen suuntaan. Ioniliikenne tapahtuu akun sisällä elektrolyyttiaineessa. Yleisesti elektrolyyttinä käytetty aine on dimetyylikarbonaatti, joka on hyvin ionirikasta ja sopii tehtävään erinomaisesti, paitsi että sillä on yksi ikävä ominaisuus: se on hyvin paloherkkää jopa huoneenlämmössä.

Metailleista kaikkein kevyimmällä litiumilla on suurin sähkökemiallinen jännite ja siksi sen energiatiheys on suuri, mutta myös se on kemiallisesti erittäin reaktiivinen. Litium siis reagoi voimakkaasti muiden aineiden kanssa – eli syttyy helposti tuleen. Yhdessä paloherkän elektrolyytin kanssa se on tehokas, mutta ei kovin mielekäs kumppani. Hyvien ominaisuuksien vuoksi niiden kanssa on pitänyt vain osata tulla toimeen.

Pienissä akuissa käytetään pieniä määriä ja lataukset ovat hyvin pieniä, joten paloherkkyys ei ole ongelma. Sen sijaan suurempia varausmääriä ja tehoja käytettäessä, siis esimerkiksi autoissa (kuten Tesla) ja lentokoneissa (kuten Dreamliner), paloherkkyys on otettava huomioon. Olennaisinta on valvoa koko ajan akun latausta ja toimintaa, ja katkaista lataus, jos lämpötila alkaa nousta.

Paisunut litiumionipolymeeriakku iPhone 3GS:n sisällä

Yllä olevassa kuvassa matkapuhelimen sisällä oleva, normaalisti hyvin ohut akku on paisunut virheellisen latauksen vuoksi. Se on kuuma ja voi syttyä leimahtaen tuleen milloin tahansa.

Ei tullut kotilokarkoitinta, vaan akkupolymeeri

Tutkijoiden alkuperäinen tavoite oli löytää luonnollinen materiaali, joka estäisi kotiloiden ja meressä olevien eläinten kiinnittymisen laivojen runkoihin. Niiden häätämiseen käytetään nykyisin monenlaisia varsin myrkyllisiäkin aineita.

Kun he testasivat kehittämäänsä ainetta, perfluoropolyeetteriä, joka tunnetaan tuttavallisesti myös lyhenteellä PFPE, he huomaisivat sen liukenevan helposti litiumsuolaan. Suurin osa polymeereistä ei sekoitu lainkaan suolan kanssa, mutta tämä sekoittui.

PFPE ei sinällään ole mikään uusi aine, sillä sitä on käytetty mm. osana voiteluaineita jo pitkään.

Tutkijaryhmä keksi, että polyetyleeniglygoli (PEG) ja PFPE voisivat yhdessä toimia erinomaisena elektrolyyttinä. Kun he yhdistivät sitten nämä dimetyylikarbonaatin – akkujen "alkuperäisen", paloherkän elektrolyytin – kanssa, oli tuloksena hämmästyttävä aine. Se ei ollut vain stabiili ja turvallinen, vaan myös olennaisesti tehokkaampi kuin alkuperäinen elektrolyytti. 

Sitä käyttämällä akku latautuu nopeasti ja sen energiatiheys on paljon aiempaa suurempi. "Parannus on tajuttoman suuri", toteaa DeSimone akateemisesti.

Mikäli sähköauton, kuten kuvassa olevan Nissan Leafin, akut korvattaisiin PFPE-dimetyylikarbonaattiakuilla, voisi akkupaketti olla olennaisesti pienempi. 

"Kaikkein tehokkain yhdiste olisi litium ja ilma, jonka energiatiheys olisi bensiinin luokkaa", jatkaa DeSimone: “monet ovat koittaneet tehdä sellaista, mutta litium ja happi eivät tule hyvin toimeen keskenään.”

Uudella PFPE-elektrolyytillä päästään lähelle tätä.

Markkinoille uudet akut päässevät tosin vasta parin vuoden päästä, sillä tekniikan muokkaaminen sarjatuotantoon kestää oman aikansa. Ensimmäiset sovelluskohteet ovat todennäköisimmin ilmailussa ja merikäytössä, sillä kaiken muun hyvän lisäksi uusi akkutekniikka kestää aiempia paremmin äärimmäisiä sääolosuhteita.

Juttu perustuu UNC Chapel Hillin tiedotteeseen Researchers build nonflammable lithium ion battery. Tutkimus akuista on julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä 10. helmikuuta.


Juttuja samasta aiheesta