Takaisin

Maankuoren toiseksi yleisin alkuaine pii soveltuu uuden sukupolven akkuteknologiaan

Ilmastoneutraalissa yhteiskunnassa energiaa tullaan tuottamaan yhä enemmän uusiutuvilla ja päästöttömillä energiamuodoilla, kuten tuuli- ja aurinkovoimalla. Näiden energiamuotojen tuotanto on kuitenkin ajoittaista, ja tarvitaan teknologiaa varmistamaan yhteiskunnan jatkuva energian saanti myös pimeinä ja tuulettomina aikoina. Toisaalta myös liikenteen siirtyminen päästöttömiin energiamuotoihin vaatii erityistä energian varastointitekniikkaa.

Yhtenä potentiaalisimpana sähköenergian varastointimenetelmänä pidetään litiumioniakkuja. Scientific Reports -lehdessä julkaistu Itä-Suomen yliopiston tutkimus tuo uutta teknologiaa litiumakkuihin korvaamalla nykyisin anodina käytettävän grafiitin piillä. Piin avulla anodin kapasiteetti voidaan jopa nelinkertaistaa.

Tutkimuksessa selvitettiin sähkökemiallisesti tuotetun nanohuokoisen piin soveltuvuutta litiumioniakkuihin. Yleisen käsityksen mukaan piin toimivuus akuissa edellyttää nanopartikkelien käyttöä, mikä luo omat haasteensa materiaalin tuotettavuuteen, hintaan ja turvallisuuteen. Yksi nyt julkaistun tutkimuksen merkittävimmistä havainnoista oli, että sopivan huokoisuuden omaavat 10 - 20 µm kokoluokan partikkelit toimivat akuissa parhaiten. Havainto on merkittävä, sillä mikrometriluokan partikkelit ovat helpompia ja turvallisempia käsitellä kuin nanopartikkelit. Tämä on tärkeä seikka muun muassa akkumateriaalien kierrätettävyyttä tarkasteltaessa.

- Tässä tutkimuksessa saimme yhdistettyä nano- ja mikromaailmojen parhaat puolet: nanoulottuvuuden toiminnallisuuden ja mikrotason käsiteltävyyden suorituskyvystä tinkimättä, kertoo tutkija Timo Ikonen.

- Jo nyt piitä käytetään pieninä määrinä Teslan akuissa lisäämään niiden energiatiheyttä, mutta piin määrän kasvattaminen entisestään on erittäin haastavaa, Ikonen jatkaa.

Jatkotutkimuksissa pii yhdistetään pieneen määrään hiilinanoputkia, joiden avulla materiaalin sähkönjohtokyky ja mekaaninen kestävyys paranevat entisestään.

- Nyt meillä on hyvä käsitys niistä materiaaliominaisuuksista, joita edellytetään piin käyttämiseksi laajassa mittaskaalassa litiumioniakuissa.  Tutkimuksessamme käytetty pii on kuitenkin liian kallista kaupalliseen käyttöön ja siksi tutkimmekin parhaillaan vastaavanlaisen materiaalin valmistusta maatalousjätteestä kuten ohran kuorituhkasta, avaa professori Vesa-Pekka Lehto.

Sovelletun fysiikan laitos on investoinut vastikään uuteen akkutestauslaitteistoon, jonka avulla akkujen sähkökemiallisia mittauksia voidaan tehdä nyt myös Itä-Suomen yliopistossa. Investointi tukee osaltaan Itä-Suomen yliopiston roolia yhtenä harvoista suomalaisista yliopistoista litiumioniakkujen anodimateriaalien kehittäjänä.

Kuva: Timo Ikonen

 

Lisätietoja:

Tutkija Timo Ikonen, p. 046 920 6363, timo.e.ikonen@uef.fi
Professori Vesa-Pekka Lehto, p. 040 355 2470, vesa-pekka.lehto@uef.fi

Tutkimusartikkeli:

T. Ikonen, T. Nissinen, E. Pohjalainen, O. Sorsa, T. Kallio, V.-P. Lehto, Electrochemically anodized porous silicon: Towards simple and affordable anode material for Li-ion batteries, Scientific Reports 7:7880 (2017). DOI: 10.1038/s41598-017-08285-3 https://www.nature.com/articles/s41598-017-08285-3