Mitä ovat joustavat solid-state-akut?

Ryhmä kansainvälisiä tutkijoita on kehittänyt uudentyyppisen solid-state-akun, joka voi lisätä sähköajoneuvojen kantamaa ja estää tulipalot kannettavissa tietokoneissa ja älypuhelimissa. Kirjoittajat kuvaavat havaintojaan Advanced Energy Materialsissa. Korvaamalla tavanomaisissa ladattavissa akuissa käytetyt nestemäiset elektrolyytit "kiinteillä", keraamisilla, ne pystyvät valmistamaan tehokkaampia, pitkäikäisempiä akkuja, jotka ovat myös turvallisempia käyttää. Tutkijat toivovat, että nämä edut voivat tasoittaa tietä tehokkaammille, vihreämmille akuille kaikenlaisille laitteille, mukaan lukien sähköautoille.

Tutkimuksen tekijät Yhdysvalloista ja Iso-Britanniasta ovat jo jonkin aikaa tutkineet vaihtoehtoja nestemäisille elektrolyyteille litiumioniakuissa. Vuonna 2016 he ilmoittivat kehittävänsä solid-state-akun, joka voisi toimia yli kaksinkertaisella jännitteellä perinteisiin litiumionikennoihin verrattuna, mutta samalla tehokkuudella.

Vaikka heidän uusin suunnittelunsa edustaa merkittävää parannusta tähän aiempaan versioon, tutkija, professori Donald Sadoway MIT:stä huomauttaa, että parantamisen varaa on edelleen: "Korkean ioninjohtavuuden saavuttaminen keraamisissa materiaaleissa voi olla vaikeaa", hän selitti. "Tämä oli läpimurto saavutus." Tutkijat toivovat, että testauksen jälkeen nämä parannetut akut osoittautuvat sopiviksi sähköajoneuvoihin tai jopa lentokoneisiin.

Solid-state-akuissa ylikuumenemisen aiheuttamat vauriot estetään käyttämällä keraamisia elektrolyyttejä syttyvien nestemäisten elektrolyyttien sijaan. Jos akku on vaurioitunut ja alkaa ylikuumentua, keraaminen elektrolyytti hiiltyy syttymisen sijaan, mikä estää sitä syttymästä tuleen. Näiden kiinteiden materiaalien rakenteen huokoset mahdollistavat myös paljon suuremman sähkövarauskuorman kuljettamisen ionien liikkuessa laajennetun verkon läpi kiinteän aineen sisällä.

Nämä ominaisuudet tarkoittavat, että tutkijat ovat pystyneet nostamaan sekä akkujen jännitettä että kapasitanssia verrattuna niihin, jotka sisältävät syttyviä nestemäisiä elektrolyyttejä. Itse asiassa, sanoi professori Sadoway: "Esittelimme litium-ilmakennon, jossa on 12 volttia, joka toimii 90 °C:ssa [194 °F]. Se on korkeampi kuin kukaan muu on saavuttanut."

Tällä uudella akkurakenteella on muita mahdollisia etuja syttyviin elektrolyytteihin verrattuna, mukaan lukien se, että keraamiset elektrolyytit ovat yleensä vakaampia kuin orgaaniset. "Hämmästyttävää on, kuinka hyvin se toimi", sanoi professori Sadoway. "Saimme tästä solusta enemmän energiaa kuin laitoimme siihen."

Tämän vakauden ansiosta valmistajat voivat pakata suuria määriä solid-state kennoja kannettaviin tietokoneisiin tai sähköautoihin ilman, että heidän tarvitsee huolehtia niiden ylikuumenemisesta, mikä tekee laitteista paljon turvallisempia ja pidentää niiden käyttöikää. Tällä hetkellä, jos tällaiset akut ylikuumenevat, ne voivat syttyä tuleen – kuten äskettäin tapahtui Samsung Galaxy Note 7 -puhelimen kanssa. Tuloksena olevat liekit eivät voisi levitä, koska solujen sisällä ei ole ilmaa, joka ylläpitäisi palamista; ne eivät todellakaan voisi levitä alkuperäisen vahingon paikan ulkopuolelle.

Nämä kiinteät materiaalit ovat myös erittäin pitkäikäisiä; Sitä vastoin jotkut yritykset valmistaa litiumioniakkuja, joissa on palavia nestemäisiä elektrolyyttejä, jotka toimivat korkeammissa lämpötiloissa (yli 100 °C), syttyvät rutiininomaisesti tuleen 500 tai 600 syklin jälkeen. Keraamiset elektrolyytit kestävät yli 7500 lataus-/purkausjaksoa syttymättä tuleen."

Uudet havainnot voivat olla erittäin merkittäviä sekä sähköautojen valikoiman laajentamisen että älypuhelinpalojen estämisen kannalta. Sadowayn mukaan: "Vanhemmissa akkujen sukupolvissa oli lyijyakkuja [auton] käynnistysakkuja. Niillä oli lyhyt kantama, mutta ne olivat uskomattoman luotettavia", hän sanoi ja lisäsi, että niiden odottamaton heikkous oli se, että "jos se lämpeni yli noin 60 °C se syttyisi tuleen."

Hän selittää, että nykyiset litiumioniakut ovat askel eteenpäin tästä. "Niillä on pitkä kantama, mutta ne voivat vaurioitua vakavan ylikuumenemisen ja tuleen syttymisen seurauksena", hän sanoi ja lisäsi, että uusi solid-state-akku on mahdollisesti "perustavallinen läpimurto", koska se voi johtaa paljon luotettavampiin ja turvallisempiin laitteisiin.

MIT:n tutkijat uskovat, että tämän tekniikan yleistyminen saattaa kestää viisi vuotta, mutta jo ensi vuonna he toivovat näkevänsä tällaisia ​​akkuja suurten valmistajien, kuten Samsungin tai Applen, älypuhelimiin. He huomauttivat myös, että näille soluille on monia kaupallisia käyttötarkoituksia puhelimien lisäksi, mukaan lukien kannettavat tietokoneet ja sähköajoneuvot.

Professori Sadoway kuitenkin varoittaa, että tekniikan täydellistymiseen on vielä matkaa. "Meillä on kenno, joka näyttää todella erinomaiselta, mutta se on hyvin varhainen... Meidän ei ole vielä tehtävä kennoja, joissa on suuria, suuritehoisia elektrodeja."

Sadoway uskoo, että tämä läpimurto otetaan laajalti käyttöön välittömästi, koska sillä on potentiaalia paitsi polttaa sähköautoja paljon suuremmalla kantamalla, myös mahdollisesti estää älypuhelinten tulipalot. Ehkä yllättävämpi on hänen ennusteensa, jonka mukaan solid-state-akkuja voitaisiin käyttää yleisesti alle viidessä vuodessa, kun useimmat valmistajat ovat vakuuttuneita niiden turvallisuudesta ja luotettavuudesta.