30. soveltavan kemian väitös: Uuden sukupolven litiumioniakut: Syntyvät nikkelistä ja älykkäästä kemian hallinnasta
DI Juho Välikangas väitteli 23.6.2025 Oulun yliopistossa. Vastaväittäjä oli prof. Dr. Georg Garnweitner, Technische Universität Braunschweig, Saksa ja kustoksena dosentti Pekka Tynjälä yliopistokeskuksesta.
Uuden sukupolven litiumioniakut: Syntyvät nikkelistä ja älykkäästä kemian hallinnasta
Litiumioniakut ovat keskeisessä roolissa sähköautoissa, älylaitteissa ja uusiutuvan energian varastoinnissa. Niiden kysyntä kasvaa jatkuvasti, ja samalla kasvaa tarve kehittää edullisempia ja tehokkaampia akkumateriaaleja. Yksi lupaavimmista vaihtoehdoista on litiumnikkelioksidi, LiNiO₂ (LNO), katodimateriaali. Mikä tekee LNO:sta kiinnostavan? LNO:n teoreettinen energiatiheys on korkea (272 mAh/g), ja se on mahdollista saavuttaa turvallisella, elektrolyytille vakaalla jännitealueella (4,3-2,6 V). Lisäksi LNO:n valmistus vaatii vähemmän kriittisiä raaka-aineita ja koboltittomana katodimateriaalina se on halvempaa kuin perinteiset NMC-materiaalit.
LNO ei kuitenkaan ole täysin ongelmaton katodimateriaali. Korkean nikkelipitoisuuden vuoksi se on termisesti epästabiili. Latauksen aikana materiaalissa tapahtuu faasimuutos, joka voi heikentää katodimateriaalin vakautta ja lyhentää akun käyttöikää. Lisäksi LNO:n valmistusprosessissa voi muodostua epäpuhtauksia, kuten jäännöslitiumia, joka vaikuttaa akun suorituskykyyn ja turvallisuuteen.
Väitöskirjatutkimuksessa tutkittiin mahdollisuuksia parantaa LNO-materiaalin sähkökemiallista suorituskykyä ja stabiilisuutta akun lataus- ja purkuprosessin aikana. Väitöstutkimuksen keskeiset tulokset osoittavat, että 670 °C litiointilämpötila tuotti jopa 231,7 mAh/g purkukapasiteetin, mikä on yksi korkeimmista puhtaalle LNO:lle määritetyistä. LNO-katodiin seostettiin alumiinia, magnesiumia ja kromia, mikä paransi sähkökemiallisia ominaisuuksia ja rakenteen kestävyyttä. Litiointilämpötilan optimointi vähensi lisäksi haitallista litium- ja nikkelikationien sekoittumista rakenteessa. Pesuprosessi paransi materiaalien syklattavuutta, poisti jäännöslitiumia, mutta vaikutti myös litiumionien liikkuvuuteen. Lisäksi toinen lämpökäsittely palautti katodin kapasiteettia ja vähensi kaasun muodostumista. Latausprotokollan muutos paransi merkittävästi akun käyttöikää ja erityisesti pesemättömän materiaalin syklattavuutta – jopa 155,5 mAh/g purkukapasiteetti saavutettiin 1200 syklin jälkeen.
Tämä tutkimus osoitti, että koboltittomat litiumioniakut voivat olla sekä tehokkaita että pitkäikäisiä, kun niiden kemia ja valmistusprosessit optimoidaan huolellisesti. Tällaiset innovaatiot voivat mullistaa akkumarkkinat ja edistää siirtymää kohti kestävämpää ja edullisempaa energiatulevaisuutta.
Linkki väitöskirjaan: Modification of lithium nickel oxide cathode material - OuluREPO
Linkki väitöstiedotteeseen: Litium-nikkelioksidi katodimateriaalin modifiointi | Oulun yliopisto
