Jaapanis loodi rekordaku, tehtud ilma nikli ja koobaltita

Elektriautode uued akutehnoloogiad on viinud akupakid istme all juba üsna õhukeseks. Pildil on Hiina suurtootja BYD Saksamaal 2023. aastal esitletud uut tüüpi liitium-fosfaatakupatarei. Jaapani teadlastel on aga plaanis energiatihedust veelgi tõsta ja luua ideaalilähedane kiirelt laadiv kerge aku. Pilt on illustreeriv. Foto: Matti Blume / Wikimedia Commons

Jaapani teadlased arendasid murrangulise mangaaniga täiendatud elektriautode aku, mille energiamahutavus on 820 Wh/kg ja mis ei kaota aja jooksul mahtu.

Jaapani teadlased Yokohama rahvuslikust ülikoolist on saavutanud läbimurde elektriautode akutehnoloogias, pakkudes tõsist alternatiivi nikli- ja koobaltipõhistele akudele. Nende uus lahendus kasutab anoodis mangaani, mis aitab luua kõrge energiatihedusega aku, mis on odav ja keskkonnasäästlikum.

Elektriautode tootjad eelistavad praegu nikli-koobaltipõhiseid akusid, kuna need pakuvad suuremat energiatihedust, mis tähendab pikemat sõiduulatust väiksema akupakiga. Siiski on mõlemad komponendid üsna kallid ja suhteliselt haruldased, muutes nende tootmise jätkusuutmatuks, samal ajal kui elektriautode kasutamine maailmas kiiresti suureneb.

Liitiumioonakud (Li-ion) on aga enamiku väiksemate elektroonikaseadmete eelistatud laetav akutehnoloogia, kuid nende madalam energiatihedus seab selle tehnoloogia elektriautode kontekstis kehvemasse positsiooni.

Uuringud ja arendustöö on viinud nüüd traditsiooniliste Li-ion-akude täiustamiseni, sealhulgas ka mangaani kasutamiseni anoodimaterjalides koos liitiumiga, näiteks LiMnO2 kujul. Siiski on rakendused olnud piiratud elektroodi kehvade omaduste tõttu. Jaapani teadlased on just seda probleemi oma hiljutises töös käsitlenud ja leidsid ka lahenduse.

Selline näeb välja elektroodi nanostruktuur. Foto: teadustöö / Yokohama ülikool

Pärast põhjalikke uuringuid LiMnO2 erinevate vormide kohta röntgendifraktsiooni, skaneeriva elektronmikroskoopia ja elektrokeemiliste meetodite abil avastas teadlane Naoaki Yabuuchi ja tema meeskond, et monokliiniline kihiline domeen aktiveerib LiMnO2 struktuurse ülemineku nn spinellilaadsesse faasi. Lihtsamalt öeldes on monokliiniline süsteem kindlat tüüpi kristallstruktuur.

LiMnO2 parandab niimoodi elektroodimaterjali omadusi, hõlbustades akutehnoloogias vajalikku faasisiiret.

Yabuuchi selgitas, et nanostruktuuriga LiMnO2 kihid on suure pinnaga ja otse sünteesitud üsna lihtsa tahkefaasi reaktsiooni abil. See reaktsioon ei vaja vahestaadiume ning elektroode saab sünteesida otse kahest komponendist kaltsineerimise teel.

Pärast sünteesi tehtud testid näitasid, et LiMnO2 elektroodiga aku saavutas energiatiheduse 820 vatt-tundi kilogrammi kohta (Wh/kg), võrreldes niklipõhise aku 750 Wh/kg-ga. Ainult liitiumipõhiste akude energiatihedus on veelgi madalam, 500 Wh/kg.

Nanostruktureeritud LiMnO2 pakub suurema pinnaga suurt võimsust koos hea mahutavuse säilimise ja lisaboonusena ka suure laadimiskiirusega, mis on oluline elektriautode puhul. Seega tundub, nagu oleks leitud ideaalne akumaterjal.

Varasemad uuringud, mis kasutasid mangaani, on näidanud pinge kahanemist akudes, mille korral väljund aja jooksul tempokalt vähenes, halvendades elektrooniliste seadmete jõudlust. Uue LiMnO2 elektroodiga teadlased selliseid tulemusi ei täheldanud.

Mangaani lahustumine, olgu see siis tingitud aku laadimisel-tühjenemisel tekkivatest faasimuutustest või reaktsioonist happelise lahusega, võib siiski aset leida. Pressiteates lisati, et teadlased kavatsevad sellegi probleemi kiiresti lahendada, kasutades suure kontsentratsiooniga elektrolüüdilahust ja liitiumfosfaatkatet.

Jaapani teadlased on kindlad, et nende töö on aidanud välja töötada uue kasuliku lahenduse, mis on konkurentsivõimeline olemasolevate võimalustega, samas ka jätkusuutlik ja keskkonnasõbralik. Selle võiks kiiresti kasutusele võtta elektriautode tööstuses.

Teadusuuringute meeskond lisas oma vastuses väljaandele Interesting Engineering, et nad on leidnud tõesti väga odava meetodi uute tõhusate akude tootmiseks, mis on nende uuringu oluline leid.