Teadlased avastasid ootamatu viisi liitiumakude eluea pikendamiseks – see on karm

Teadlaste eksperimendist selgus, et kui akule anda esimesel korral laadides kõrgemat pinget, siis käitub see hiljem palju paremini. Kodus ei maksa seda järgi proovida. Pilt on illustreeriv. Foto: Gerd Altmann / Pixabay

Liitium-ioonaku esimene laadimine on olulisem, kui esmapilgul paistab. See määrab, kui hästi ja kui kaua aku edaspidi vastu peab — eriti aga seda, kui palju laadimis- ja tühjendamistsükleid see suudab taluda enne mahu olulist vähenemist. Teadlased avastasid, et kui siis akut teatud viisil karmilt kohelda, on tulemus hiljem palju parem.

Ajakirjas Joule avaldatud uuringus teatasid SLAC-Stanford Battery Centeri teadlased, et akude pealtäha jõhkram kohtlemine alguses nende esimese laadimisega ebatavaliselt kõrgete pingete pikendas nende keskmist eluiga 50% võrra, vähendades samal ajal esialgse laadimisaja 10 tunnilt vaid 20 minutile.

Veelgi olulisem on see, et teadlased suutsid teadusliku masinõppe abil tuvastada konkreetseid muudatusi akuelektroodides, mis seletavad seda eluea ja jõudluse kasvu —need on väga väärtuslikud teadmised akutootjatele, kes otsivad võimalusi oma protsesside optimeerimiseks ja toodete täiustamiseks.

Uuringu viis läbi SLAC/Stanfordi meeskond, mida juhtis professor Will Chueh koostöös Toyota Uurimisinstituudi (Toyota Research Institute, TRI), Massachusettsi Tehnoloogiainstituudi (Massachusetts Institute of Technology, MIT) ja Washingtoni Ülikooli teadlastega.

Professor Chueh selgitas, et avastus on suurepärane näide sellest, kuidas SLAC muudab energiasiirde jaoks kriitilised tehnoloogiad taskukohasemaks.

Tehisaru abil saadi teada, et aku hilisemat eluiga mõjutab kõige enam algse laadimise temperatuur ja pinge. Seega tuleb tehases esimene laadimine teha kõrgema pingega, millega läheb küll rohkem liitiumit kaotsi, kuid aku püsib edaspidi kauem terve ja laeb kiiremini. Foto: SLAC National Accelerator Laboratory

Tulemused omavad väga praktilist tähendust mitte ainult liitiumioonakude tootmiseks elektrisõidukite jaoks, vaid ka teiste tehnoloogiate jaoks, ütles TRI vanemteadur Steven Torrisi, kes osales uuringus.

Torrisi lisas, et uuring on teadlaste jaoks väga põnev, kuna akude tootmine on äärmiselt kapitali- ja energiakulukas ning ajamahukas. Uue aku tootmisprotsessi käivitamine võtab kaua aega ning tootmisprotsessi optimeerimine on väga keeruline, kuna sellega on seotud palju tegureid.

Torrisi märkis, et nende uuringu tulemused näitavad üldistatavat lähenemist, kuidas mõista ja optimeerida kriitilisi samme akude tootmises.

«Pehme kiht» on aku jõudluse võti

Et mõista, mis toimub aku esimeste laadimistsüklite ajal, ehitas Chueh' meeskond väikesed akuelemendid, kus positiivset ja negatiivset elektroodi ümbritseb elektrolüütlahus, milles liitiumiioonid liiguvad vabalt ringi.

Kui aku laeb, liiguvad liitiumiioonid negatiivsesse elektroodi. Kui aku tühjeneb, liiguvad need tagasi positiivsesse elektroodi, mis käivitab elektronide voolu seadmete, nagu elektriautode ja nutiseadmete toiteks.

Uus liitiumioonaku tehaselaadimine kõrgete vooludega tühjendab märkimisväärselt selle liitiumivarusid, kuid pikendab samas aku eluiga, selgub SLAC-Stanford Battery Centeri uuringust. Kaotatud liitium kasutatakse üldjuhul kaitsva kihi, nn SEI (solid electrolyte interphase) moodustamiseks negatiivsel elektroodil. Kuid kiire laadimise tingimustes tarbitakse liitiumioone ka kõrvalreaktsioonide käigus negatiivsel elektroodil.

See loob täiendavat ruumi mõlemas elektroodis ning aitabki parandada aku jõudlust ja eluiga.

Värskelt toodetud aku positiivne elektrood on täis liitiumi, selgitas Xiao Cui, kes juhib Chueh´ laboris aku informaatika meeskonda. Iga kord, kui aku läbib laadimis-tühjendamistsükli, deaktiveeritakse osa liitiumist. Nende kaotuste minimeerimine pikendabki aku tööiga.

Kummalisel kombel on üks viis liitiumikadu minimeerida see, et esimese laadimise ajal kaotatakse teadlikult suur osa liitiumi esialgsest varust, ütles Cui. See on nagu väike investeering, mis toob tulevikus head tulu.

See esimese tsükli liitiumikadu ei lähe aga niisama raisku. Kaotatud liitiumist saab osa pehmest kihist, mida nimetatakse SEI-ks, mis moodustub negatiivse elektroodi pinnale esimese laadimise ajal. SEI kaitseb negatiivset elektroodi kõrvalreaktsioonide eest, mis muidu kiirendaksid liitiumikadu ja kiirendaksid aku degradeerumist. SEI täpne moodustumine on nii oluline, et esimest laadimist tuntakse moodustamislaadimisena (formation charge) ja seda tehakse tehases kontrollitult.

Cui sõnul on moodustamine tootmisprotsessi viimane etapp, seega kui see ebaõnnestub, on kogu aku tootmisse tehtud investeering ja vaev raisatud.

Kõrge laadimisvool parandab ka aku jõudlust

Tootjad teevad uutele akudele tavaliselt esimese laadimise üsna madalate vooludega, lähtudes teooriast, et see loob kõige tugevama SEI-kihi. Kuid sellel on ka puudusi: madala vooluga laadimine on aeganõudev ja kulukas ega pruugi anda optimaalseid tulemusi. Seetõttu oli eriti põnev just uudis, et hiljutised uuringud viitavad kiire laadimise kasulikkusele kõrgemate vooludega ning see ei kahjusta aku jõudlust, pigem vastupidi.

Kuid teadlased tahtsid veel veidi süveneda selle efekti mõjusse. Laadimisvool on vaid üks kümnetest teguritest, mis mõjutavad SEI moodustumist esimese laadimise ajal. Kõigi võimalike kombinatsioonide testimine laboris, et näha, milline neist töötab kõige paremini, on aga seni olnud üle jõu käiv ülesanne.

Probleemi kitsendamiseks hallatavasse suurusesse kasutas teadustöö meeskond teaduslikku masinõpet, et tuvastada, millised tegurid on heade tulemuste saavutamisel kõige olulisemad.

Tehisintellekt andis kaks tingimust aku parandamiseks

Üllatuslikult selguski, et neist kõigist tõusid esile vaid kaks — temperatuur ja laadimisvool, millega akut laetakse.

Katsetega kinnitatigi, et kõrgete vooludega laadimine avaldab suurt mõju, pikendades testitud akude keskmist eluiga 50%. Samuti deaktiveeris see esialgu palju suurema protsendi liitiumist — umbes 30%, võrreldes varasemate meetoditega, mis jäid üheksa protsendi juurde, kuid see osutus lõppkokkuvõttes siiski positiivseks.

Enamate liitiumioonide eemaldamine esialgu on nagu vee kühveldamine täis ämbrist enne selle kandmist, selgitas Cui. Täiendav ruum ämbris vähendab vee üle ääre loksumist kandmise ajal. Sarnaselt vabastab rohkemate liitiumiioonide deaktiveerimine moodustamise ajal positiivses elektroodis ruumi ja võimaldab elektroodil tsüklit efektiivsemalt läbida, parandades järgnevat jõudlust.

Professor Chueh sõnas, et toore jõuga optimeerimine katse-eksituse meetodil on tootmises tavaline — kuidas peaksime siis aga edaspidi tegema esimese laadimise ja mis on võidukas tegurite kombinatsioon?

Teadlased tahtsid mitte ainult leida parimat retsepti hea aku valmistamiseks, vaid ka mõista, kuidas ja miks see lahendus töötab. See arusaam on ülioluline, et leida parim tasakaal aku jõudluse ja tootmise efektiivsuse vahel.