Yhä useampi arjessa käyttämämme laite toimii ladattavan akun avulla. Ne tuottavat virtaa puhelimille, kannettaville tietokoneille, lääketieteellisille laitteille ja sähköajoneuvoille. Maailman siirtyessä kohti puhtaampaa energiaa ja turvallisempaa teknologiaa kasvaa tarve akuille, jotka kestävät pidempään, toimivat luotettavammin ja aiheuttavat vähemmän turvallisuusriskejä.

Etenkin pienien elektronisten laitteiden virtalähteiksi soveltuvat ohutkalvoiset kiinteän olomuodon akut ovat perinteisiä litiumioniakkuja kestävämpiä ja turvallisempia, mutta niiden käyttöönottoa hidastavat valmistukseen liittyvät haasteet. MSc Arman Hasanin Turun yliopiston väitöstutkimuksessa tarkasteltiin, miten eri termisen ruiskutuksen menetelmiä ja laserjälkikäsittelytekniikoita voitaisiin hyödyntää näiden 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 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. Niiden turvallisuus, kestävyys sekä pienelektroniikan yleistyminen tekee niistä tärkeän akkuteknologian, jota on syytä kehittää edelleen, kertoo väitöskirjatutkija Hasani.

Eduistaan huolimatta näiden akkujen valmistus on edelleen vaikeaa ja kallista. Nykyiset tuotantomenetelmät ovat hitaita, rajoittuvat suhteellisen pienille alueille ja vaativat useita erillisiä käsittelyvaiheita. Tämä tekee tuotannon laajentamisesta haastavaa ja kallista, etenkin jos halutaan pinnoittaa suurempia tai monimutkaisempia komponentteja.

Yksi suurimmista haasteista on löytää nopeampia ja käytännöllisempiä tapoja valmistaa ohuita keraamisia pinnoitekerroksia, jotka muodostavat akun keskeiset osat.

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. Näitä tekniikoita käytetään jo laajalti teollisuudessa suurten pintojen nopeaan ja tehokkaaseen pinnoittamiseen erilaisissa sovelluksissa, mutta ei vielä akkuvalmistuksessa.

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.

Lisäksi havaittiin, että ruiskutuksen jälkeen tehtävä lyhyt laserjälkikäsittely voi parantaa pinnoitekerrosten laatua huomattavasti. Tämä käsittely teki pinnoitteista tiheämpiä, sileämpiä ja tasaisempia ilman, että koko akku ylikuumeni.

Aamuset-kaupunkimedia (AKM)