Elektrolyytin ominaisuuksien vaikutus solid-state-akkujen toimivuuteen

Abstract

Sähköautojen yleistyminen on luonut suuria vaatimuksia akkujen suorituskyvylle. Litiumioniakkujen kehitys on hidastunut merkittävästi, mikä aiheuttaa tarpeen uusille akkuteknologioille. Akuilta vaaditaan entistä suurempaa energiatiheyttä, latausnopeutta ja turvallisuutta. Eräs lupaava teknologia on täysin kiinteäelektrolyyttiset akut (ASSB). Tässä tekstissä syvennytään kiinteän elektrolyytin eri tyyppeihin ja ominaisuuksiin sekä arvioidaan näiden vaikutusta ASSB:n suorituskykyyn ja toimivuuteen. ASSB hyödyntää nesteen sijaan kiinteää elektrolyyttiä. Kiinteän elektrolyytin käytöllä on useita hyötyjä. Mekaanisesti jäykkä materiaali vähentää litiumdendriittien kasvua sekä tukee akun rakennetta. Tärkeimpänä etuna se mahdollistaa metallisen litiumanodin käytön. Kyseisellä anodimateriaalilla voidaan saavuttaa merkittävästi suurempi energiatiheys. Elektrolyyttimateriaaleja on useita ja ne jaetaan usein oksidi- ja sulfidipohjaisiin elektrolyytteihin sekä polymeerielektrolyytteihin. Lisäksi on kehitetty komposiittielektrolyyttejä, jotka yhdistelevät eri materiaaleja. Elektrolyyttien toimivuuden kannalta kriittisiä ominaisuuksia ovat mekaanisten ominaisuuksien lisäksi ionijohtavuus, ominaiskapasiteetti, sähkökemiallinen ja terminen stabiilius sekä yhteensopivuus litiummetallin kanssa. Stabiiliusominaisuudet näkyvät kennon eliniässä kapasiteetin alenemana. Oksidipohjaisille elektrolyyteille on tyypillistä jäykkyys, hauraus ja verrattaen korkea ionijohtavuus. Stabiilius on vaihtelevaa. Sulfidipohjaiset elektrolyytit omaavat erinomaisen ionijohtavuuden. Sulfidiseoksella myös riittävä stabiilius ja mekaaniset ominaisuudet on saavutettu. Polymeerielektrolyyteillä on heikko ionijohtavuus, mutta hyvä muokattavuus ja sitkeys. Toimivalta elektrolyytiltä vaaditaan, että kaikki ominaisuudet ovat riittävällä tasolla. Tämä toteutuu tutkituista materiaaleista litiumlantaanititanaatti-polymeerikomposiitilla ja sulfidiseoksella. Elektrolyytit sopivat toimivan kennon valmistamiseen, joka tarjoaa etuja nykyisiin litiumioniakkuihin verrattuna energiatiheydessä sekä turvallisuudessa. ASSB:n kannattavuus ja valmius massatuotantoon riippuu täten valmistusmenetelmien kehityksestä.