Alates sülearvutitest nutitelefonide ja kasvava elektriautotööstuseni sõltub meie maailm üha enam laetavatest akudest. Kuid nagu teab keegi, kes omab sülearvutit rohkem kui paar aastat, kaotavad akud lõpuks võime omada täislaadimist.
Teadlased ei saanud kunagi päriselt aru, miks see juhtub, mis on muutnud selle raskesti lahendatavaks probleemiks. Kuid USA energeetikaministeeriumi teadlaste paari hiljutise uuringu kohaselt, mis avaldati ajakirjas Nature Communications, võime olla lähemal kui kunagi varem akule, mis ei lagune.
Töötades spetsiaalselt liitium-ioon akudega, mida tavapärastes seadmetes tavaliselt kasutatakse nende väikese massi ja suure mahutavuse tõttu, on teadlased kaardistanud laadimis- ja tühjenemisprotsessi kuni miljardi meetrini, et paremini mõista, kuidas lagunemine toimib. Nad avastasid aku lagunemises kaks süüdlast. Esimene: aku materjali struktuuris esinevad mikroskoopilised haavatavused juhivad liitiumioone juhuslikult läbi raku, purustades aku näiliselt juhuslikul viisil, sarnaselt rooste levimisega terase ebatäiuslikkusele. Teises uuringus, mis keskendus parima tasakaalu leidmisele pinge, salvestusmahu ja maksimaalsete laengutsüklite vahel, leidsid teadlased mitte ainult ioonivooluga sarnaseid probleeme, vaid ka keemiliste reaktsioonide tõttu järelejäänud nanoskaalaliste kristallide pisikesi kogunemisi, mis põhjustavad ioonide voog muutub pärast iga laadimist veelgi ebaregulaarsemaks. Töötavad patareid kõrgemal pingel tõi kaasa ka rohkem ioonitee ebakorrapärasusi ja seega kiiremini halvenevat akut.
Seotud sisu
- Elektriautod võivad muuta linnad jahedamaks
Võib tunduda, et teadlased oleksid pidanud aku täielikult mõistma - tehnoloogia, mis on tegelikult olemas olnud juba alates 1800. aastast - aastakümneid tagasi. Kuid Brookhaven Labi materjaliteadlane ja mõlema uuringu kaasautor Huolin Xin ütleb, et uute tehnoloogiate võidukas kombinatsioon sai alles hiljuti kättesaadavaks.
"Paljud tipptasemel iseloomustusvahendid, näiteks aberratsiooniga korrigeeritud elektronmikroskoobid ja uued sünkrotronröntgenitehnikad, polnud 10 aastat tagasi saadaval, " räägib Xin. Kuid nüüd saab tema sõnul neid kasutada liitium-ioon akude uurimisel.
Uued andmed annavad uurijatele selgema pildi nende akude toimimisest, mis võib viia tarbeelektroonikas mitte kauem kui kauges tulevikus pikema kasutusajaga patareideni. Kuid see tekitab ka uusi probleeme. Xini sõnul on aku jõudluse maksimeerimine oluline, kuid tõenäoliselt hõlbustab ka suurem pindala lagunemist.
"Pinna lagunemise vältimiseks võime kas katoodiga katta kaitsekihi, " ütleb Xin, "või peita need pinnad, luues piirid mikroni suuruses pulbritele [raku sees]."
Kõige tõhusamate ja kuluefektiivsemate viiside leidmine selleks on osa uurimistöö tulevasest etapist.
Kuid Chicagos asuvas Argonne'i riiklikus laboratooriumis liitium-ioonakute uurimisele keskendunud teadlane Daniel Abraham on skeptiline, et uued uuringud kujutavad endast tõelist läbimurret. Ta ütleb, et sarnaste materjalidega on kaardistamistööd tehtud ka varem, sealhulgas ka tema meeskonna poolt umbes 12 aastat tagasi. Samuti usub ta, et aku lagunemisel võib olla rohkem kui see, mida uued uuringud on leidnud.
"Nad üritavad korrelatsiooni jõudluse halvenemise ja nende poolt nähtavate piltide vahel, mis ei pruugi olla õige, " ütleb Abraham. "See on osaliselt lugu, kuid ma ei usu, et see on kogu lugu."
Xin on optimistlikum, et töö viib aku parendamiseni mitte ainult tulevaste elektrisõidukite, vaid ka kaasaskantava elektroonika osas.
"Liitium-nikkel-mangaan-koobalt-oksiidkatood on hiljuti tuvastatud järgmise põlvkonna liitium-ioon akude jaoks ainus kaubanduslikult elujõuline materjal, " räägib Xin. "Selle lagunemisprobleemi lahendades saame uue põlvkonna akusid väiksemaks muuta ja muuta need usaldusväärsemaks laadimiseks ja tühjendamiseks."
Kaks patareide asjatundjat nõustuvad sellega, et paljude oluliste tulevaste rakenduste jaoks on sama oluline leida viis, kuidas patareisid, mis ei kulu nii kiiresti, kui luua suurema mahutavusega patareisid.
Xin juhib tähelepanu sellele, et elektriautode ostjad muretsevad pärast garantii lõppemist õigustatult aku rikke pärast. Abraham märgib, et kuigi vajate oma nutitelefoni või tahvelarvuti akuga vaid paariaastast jõudlust, otsivad enamik omanikke elektrisõidukite jaoks aku, mis kestab 10–15 aastat. Ja elektrivõrgus kasutamiseks (tipptundidel toodetud liigse energia salvestamiseks) peaksid patareid kestma vähemalt 30 aastat.
See teeb sülearvutile parema aku ehitamise palju lihtsamaks kui pikaealisuse probleemide lahendamine teistes piirkondades.
"Hea, kui teil on suurem energiatihedus, kuid kui teil on kõrge energiatihedus, kuid mitte pikk eluiga, siis seatakse kahtluse alla nende tehnoloogiate äriline elujõulisus, " ütleb Abraham. "Arvestades, et kui suudate näidata, et teil on uus tehnoloogia ja see võib kesta kaks kuni 30 aastat, muutub see kohe äriliselt elujõuliseks."
Kuigi Xini ja tema kolleegide töö võib aidata teadlastel luua akusid, mis ei lagune nii kiiresti, on selge, et enne kui näeme laetavaid akusid, mis kestavad kümme aastat või kauem ilma tõsise kulumiseta, on vaja edasisi läbimurdeid.
