Seostettujen litiumioniakkumateriaalien karakterisointi

Abstract

Litiumioniakkujen kysyntä on kasvanut vuosia ja kasvu jatkunee hybridi- sekä sähköautojen yleistyessä. Litiumioniakut koostuvat katodista, anodista, niiden välisestä separaattorista ja elektrolyytistä. Anodimateriaaliksi on vakiintunut erilaiset hiiliyhdisteet, kuten grafiitti. Litiumioniakkujen kapasiteettia rajoittavana tekijänä on pitkään ollut katodimateriaalit. Katodimateriaalien toimivuutta rajoittaa litiumionien irrotukseen liittyvä epästabiilius. Perinteisesti käytetyn litiumkobolttioksidi tilalle on etsitty uusia, halvempia ja parempia materiaaleja. Kobolttioksidiin on pitkään sekoitettu nikkeli- ja mangaanioksidia erilaisissa suhteissa, mutta litiumioniakkumateriaaleihin kohdistuvien vaatimusten, kuten käyttöikä ja -jännite, kasvaessa perinteiset metallioksidiseokset eivät riitä. Seostamalla (engl. doping) muita metallioksideja pienissä pitoisuuksissa (alle 5 mol-% metallioksidien kokonaispitoisuudesta) saadaan valmistettua katodimateriaaleja, joiden ominaisuudet ovat puhtaita materiaaleja paremmat. Uudet seostetut katodimateriaalien myötä tutkimus siirtynee esimerkiksi elektrolyytin stabiilisuuteen, kun katodimateriaalin käyttöjännite ylittää elektrolyytin stabiilisuusalueen. Myös elektrodimateriaalien pinnoituksella voidaan estää elektrolyytin reaktioita.

Seostetuttuja materiaaleja koskevia julkaisuja on viimevuosina ollut paljon. Materiaalien karakterisointimenetelmät kuitenkin vaihtelevat. Työssä käydään lävitse tutkielman aikana kirjallisuudesta löydettyjä menetelmiä, ja arvioidaan niiden käytön yleisyyttä lähdekirjallisuuden pohjalta. Menetelmien tuloksia kuvaillaan. Tutkielman perusteella yleisimmin käytettyjä menetelmiä ovat akun toimintaan liittyvät sähköiset analyysit, mikroskooppiset menetelmät sekä röntgensädediffraktio. Lisäksi tutkielmassa esitellään lähdekirjallisuuden seostusmenetelmiä ja niiden vaikutuksia litiumioniakkujen toimintaan.