Keskeinen syy litiumioniakkujen suosioon on niiden keveys. Litiummetalliakut olisivat noin kolminkertaisesti kevyempi vaihtoehto – tai saman painoisena kolme kertaa tehokkaampi – mutta ne tyhjenevät itsestään noin 1000 kertaa litiumioniakkuja nopeammin.

Nyt kemistien ja materiaalitieteilijöiden ryhmä yhdysvaltalaisesta Stanfordin yliopistosta on kuvannut mikroskoopilla ensimmäistä kertaa tyhjenemisen keskeisen syyn: litiummetalliakun negatiivisten elektrodien vähittäisen itsetuhon.

Yi Cuin johtamien tutkijoiden mukaan litiummetalliakku kadottaa päivässä 2–3 prosenttia varauksestaan, siinä missä litiumioniakulta kestäisi noin kolme vuotta eli reilut tuhat päivää samaan.

Kuvaus onnistui antamalla täyteen varattujen litiummetalliakkujen seistä ja tyhjetä itsestään vuorokauden ajan. Sen jälkeen tutkijat upottivat akut nestemäiseen typpeen ja näin jäädyttivät kaikki rakenteelliset muutokset paikalleen ennen kuvausta elektronimikroskoopilla.

Konseptuaalisella tasolla elektrodien hajoamisen syy, metallisen litiumin reaktiivisuus, tunnettiin toki ennestäänkin. Litiummetalliakun negatiiviset elektrodit eli anodit on nimittäin tehty paljaasta litiummetallista, mutta litiumioniakkujen anodit ovat grafiittia, jonka pinnalle litiumia saostuu.

Mikroskooppikuvat paljastivat kuitenkin uutta tietoa mekanismista. Kun litium syöpyy kosketuksissa elektrolyytin kanssa, sen pinta pehmenee höttöiseksi ja muhkuraiseksi, noin 30 nanometriä paksuksi kerrokseksi.

Litiumioniakussa tämä kerros, jota akkututkijat nimittävät elektrolyyttirajafaasiksi (solid-electrolyte interphase [sic phase vs. face]), pysyy kompaktina ja stabiilina, suojaten alapuolista materiaa syöpymiseltä. Litiummetalliakussa rajafaasin höttöinen rakenne estää sitä suojaamasta metallia, ja syöpyminen jatkuu.

Cuin ryhmä sai selville myös, että kaikki tarjolla olleet tavalliset elektrolyytit syövyttivät litiumia jotakuinkin samalla tavalla. Lehdistötiedotteessa Cui korostaakin, että paremman elektrolyytin löytäminen on tärkeä tulevaisuuden kehityskohde.

Tieteelliset tulokset tutkimuksista on julkaistu Nature Energy -lehdessä.