Etenkin pienien elektronisten laitteiden virtalähteiksi soveltuvat ohutkalvoiset kiinteän olomuodon akut ovat perinteisiä litiumioniakkuja kestävämpiä ja turvallisempia.
Yhä useampi arjessa käyttämämme laite toimii ladattavan akun avulla. Ne tuottavat virtaa puhelimille, kannettaville tietokoneille, lääketieteellisille laitteille ja sähköajoneuvoille. Tarvitaan akkuja, jotka kestävät pidempään, toimivat luotettavammin ja aiheuttavat vähemmän turvallisuusriskejä.
MSc Arman Hasanin väitöstutkimuksessa Advanced Characterization of Thermally Sprayed Thin-Film All-Solid-State Batteries tarkasteltiin, miten eri termisen ruiskutuksen menetelmiä ja laserjälkikäsittelytekniikoita voitaisiin hyödyntää ohutkalvoisten kiinteän olomuodon akkujen valmistuksessa.
Toisin kuin perinteiset litiumioniakut, nämä akut eivät sisällä syttyviä nestemäisiä elektrolyyttejä, vaan perustuvat kokonaan kiinteisiin materiaaleihin. Tämä tekee niistä merkittävästi turvallisempia, sillä ne eivät voi vuotaa tai syttyä palamaan samalla tavalla kuin nestemäisiin elektrolyytteihin perustuvat akut.
Ohutkalvoiset kiinteän olomuodon akut ovat erityisen lupaavia pienikokoisissa ja kehittyvissä teknologioissa.
”Ohutkalvoiset kiinteän olomuodon akut voidaan valmistaa jopa vain millimetrin murto-osien paksuisiksi ja ne soveltuvat tällä hetkellä parhaiten hyvin pieniin laitteisiin, kuten antureihin, lääketieteellisiin implantteihin, muuhun mikroelektroniikkaan ja sähköajoneuvoihin”, kertoo väitöskirjatutkija Hasani.
Nykyiset tuotantomenetelmät ovat hitaita, rajoittuvat suhteellisen pienille alueille ja vaativat useita erillisiä käsittelyvaiheita. Yksi suurimmista haasteista on löytää nopeampia ja käytännöllisempiä tapoja valmistaa ohuita keraamisia pinnoitekerroksia, jotka muodostavat akun keskeiset osat.
Menetelmää kokeiltiin akun kriittisiin osiin
Tutkimuksessa tarkasteltiin uusia akkuvalmistusmenetelmiä, joissa käytetään eri termisen ruiskutuksen menetelmiä ja laserjälkikäsittelytekniikoita. Terminen ruiskutus tarkoittaa sellaista pintakäsittelymenetelmää, jossa sulatettua materiaalia ruiskutetaan kaasun avulla pinnalle esimerkiksi sen suojaamiseksi ja parantamiseksi. Laserjälkikäsittelyssä tehtyä pinnoitetta sulatetaan lasersäteen avulla, jotta siitä tulee esimerkiksi tiiviimpi, kovempi ja tasaisempi.
Menetelmää sovellettiin kahteen akun kannalta kriittiseen osaan: anodiin, joka varastoi litiumia latauksen aikana, sekä kiinteään elektrolyyttiin, joka mahdollistaa litiumionien turvallisen liikkumisen akun sisällä.
Tulokset osoittavat, että eri termisen ruiskutuksen menetelmät vaikuttavat merkittävästi materiaalien laatuun. Osa menetelmistä säilytti akkumateriaalien ominaisuudet hyvin, kun taas toiset aiheuttivat vaurioita, erityisesti litiumin menetystä. Nämä erot vaikuttivat voimakkaasti akkukerrosten toimivuuteen.
