akku

Akku- ja paristotekniikka on kehittynyt huimasti, mutta silti sähkövirran varastointi alkaa olla ongelmallista, jos lämpötila laskee reilusti pakkasen puolelle.

Perinteiset litiumioniakut hyytyvät siihen tahtiin, että -40 asteen lämpötilassa niiden kapasiteetti on pudonnut 12 prosenttiin huoneenlämmön arvoista. Ongelma on elektrolyytin eli ioneja kuljettavan aineen ja elektrodien rajapinnassa tapahtuvien reaktioiden hidastuminen lämpötilan laskiessa.

Yong-yao Xian johdolla on Shanghain yliopistossa kehitetty uudenlainen etyyliasetaattipohjainen elektrolyytti, jonka jäätymispiste on alhainen ja siten sen sähkönjohtavuus säilyy hyvänä kylmissäkin oloissa.

Elektrodien materiaaleina puolestaan käytettiin kahta orgaanista yhdistettä, polytrifenylamiinia (PTPAn) ja polyimidiä (PNTCDA), joka on 1,4,5,8-naftaleenitetrakarboksyylidianhydridin johdannainen.

Mutta mitä se oikeastaan on?

Litium on kevein alkuaine heti vedyn ja heliumin jälkeen eli normaalioloissa ylivoimaisesti kevyin kiinteä aine. Litium on metalli, joka kelluu vedessäkin – sen tiheys kun on vain puolet veden tiheydestä (535 kg/m³).

Kelluminen tosin ei kestä kauaa, sillä puhdas litium on herkästi reagoiva alkalimetalli. Veteen tai jopa vain kosteaan ilmaan joutuessaan se muodostaa nopeasti litiumhydroksidia ja helposti leimahtavaa vetykaasua. Puhdas litiumpinta hapettuu mustaksi kuivassakin ilmassa.

Litiumia käytetään juuri reaktiivisuutensa vuoksi hyvin moniin tarkoituksiin. Se on tärkeässä osassa erittäin keveissä käyttömetalleissa, ilotulitteissa, ilmansuodattimissa, optiikassa ja tietoliikennetekniikassa. Se toimii katalyyttinä kemiallisissa reaktioissa, rakettipolttoaineena ja oivasti mielialalääkkeenäkin. Ja tietysti tehokkaissa akuissa ynnä monessa muussa.

Litiumia ei esiinny vapaana luonnossa. Sitä löytyy hyvin yleisesti monista yhdisteistä ympäri maailman, mutta pitoisuudet ovat aina varsin pieniä.

Nanyangin teknillisen yliopiston (NTU) tutkijat Singaporessa ovat kehittäneet uudenlaisen litiumioniakun, joka voidaan ladata 70% lataukseen vain kahdessa minuutissa. Tämä jo sinällään on huima edistysaskel, mutta lisäksi akulle luvataan 20 vuoden elinikää.

Suurin sähkölaitteiden ongelma tällä haavaa ovat akut, ja siksi niiden kapasiteettia ja latausaikaa pyritään parantamaan monin tavoin. Kapasiteetin olennainen lisääminen, eli akkujen energiatiheyden kasvattaminen on osoittautunut hankalaksi, mutta sen sijaan nopeampi lataaminen näyttää siis olevan mahdollista jo nykyisin.

Erityisen merkittävää nopeasti latautuvat akut ovat sähköautoille, sillä aiemmin noin neljä tuntia kestävä lataus voitaisiin hoitaa nyt noin 15 minuutissa - siis kahvitauon aikana. Pitkiä ajomatkoja tehtäessä tämä olisi erittäin hyvä asia.

Nykyiset sähköautojen akut pitää myös uusia noin 500 lataussyklin päästä, koska silloin niiden teho on pudonnut liikaa. Singaporelaistutkijoiden akkutekniikalla lataussyklejä saadaan jopa 10 000, eli akuilla noin 20 kertaa pitempi elinikä.

Akut ovat perinteisiä litiumioniakkuja, joita on ollut markkinoilla jo vuodesta 1991 alkaen. Nyt kuitenkin niiden anodeissa (negatiivisissa navoissa) käytetään perinteisen grafiitin sijaan geelimäistä titaanidioksidia.

Juju on kuitenkin siinä, että kun normaalisti titaanidioksidi on pienenpieninä palluroina, NTU:n tutkijat onnistuivat tekemään palluroista nanoputkia, jotka ovat tuhat kertaa ihmisen hiusta ohuempia. Näin kemialliset reaktiot nopeutuvat, kun vaikuttava pinta-ala on valtavasti suurempi, ja tämä nopeuttaa esimerkiksi akun latautumista.

Nanoputkia sisältävä titaanidioksidigeeli tekee myös tarpeettomaksi nyt litiumioniakuissa yleisesti käytettävät lisäaineet, joilla elektrodit kiinnitetään anodiin. Ne vievät paitsi tilaa, niin myös heikentävät tehoa. Kun niistä päästään eroon, saadaan samankokoiseen uuteen akkuun myös pakattua lisää tehoa.

Tutkijaryhmää johtanut professori Chen Xiaodong sanoo, että nanoputkien tekeminen on itse asiassa helppoa. ”Titaanidioksidi ja natriumhydroksidi sekoitetaan keskenään ja niitä vatkataan tietyssä lämpötilassa. Geelin ottaminen mukaan akkujen valmistamiseen on helppoa.”

Natriumhydroksidi (NaOH), eli lipeä, ja titaanioksidi (TiO) ovat edullisia ja kaikkialla saatavissa olevia aineita. Titaanioksidia käytetään esimerkiksi aurinkorasvoissa ultraviolettivalon kulkua estämään.

Vaikka nyt tiedetään, että uutta geeliä on helppo tehdä, hankkeen takana on jo kolme vuotta tutkimusta. Markkinoille tekniikka saataneen kahdessa vuodessa.

Kuvassa ylhäällä professori Chen Xiaodong ja alhaalla tutkija Tang Yuxin (oikealla) ja tohtorikoulutettava Deng Jiyang kädessään uuden akun prototyyppejä.

Lähde: http://media.ntu.edu.sg/NewsReleases/Pages/newsdetail.aspx?news=809fbb2…

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.

Kyllä, tämä on aivan oikea, toimiva litiumioniakku. Erikoiseksi sen tekee paitsi se, että se on valmistettu 3D-printterillä, niin myös se, että se on kooltaan hiekanjyvän luokkaa.

Harvardin yliopiston ja Illinoisin Urbana-Champaignissa olevan yliopiston yhteistutkimuksessa haluttiin löytää tekniikkaa, jolla minikokoisten akkujen tekeminen yksinkertaisesti printtaamalla olisi mahdollista. Näin akuista voitaisiin tehdä juuri halutun kokoisia ja muotoisia, sekä tarvittaessa erittäin pieniäkin.

Elektronimikroskooppikuva: Jennifer A. Lewis