:VÄITÖS: Nanohiukkasilla voidaan parantaa merkittävästi uuden sukupolven litium-ioniakkujen lataamista, tehoa ja kestävyyttä

KarhunenTommi5x7

Tommi Karhunen on syntynyt vuonna 1978 Kuopiossa. Hän on valmistunut ylioppilaaksi vuonna 1997 Kuopion lyseon lukiosta ja saavuttanut Master of Physics -arvon vuonna 2002, University of Leicester -yliopistosta, Iso-Britanniasta. Karhunen on toiminut post-graduate researcherina University of Leicesterissa vuosina 2002-2006, tutkijana Kuopion yliopistossa vuosina 2008-2009 ja Itä-Suomen yliopistossa vuosina 2010-2016.

Nanomateriaaleilla voidaan ratkaista uusiutuvan energian tuotannon ja varastoinnin muodostamia haasteita. Litium-ioniakut ovat jo löytäneet paikkansa muun muassa kulutuselektroniikassa, mutta tulevaisuudessa sähköajoneuvojen yleistyminen ja uusiutuvan energian tuotantomäärien kasvu vaativat akuilta yhä korkeampia energia- ja tehotiheyksiä, pitempää käyttöikää sekä parempaa turvallisuutta.

MPhys Tommi Karhusen väitöstutkimuksessa kehitettiin nanohiukkasten tuotantoteknologiaa ja litium-ioniakkuihin soveltuvia nanomateriaaleja. Tutkimustulokset avaavat uusia mahdollisuuksia vastata akkuteknologian koveneviin vaatimuksiin.

Kun materiaalien hiukkaskoko laskee alle millimetrin tuhannesosan, tapahtuu merkittäviä muutoksia niiden ominaisuuksissa, kuten sulamislämpötilassa, sähkömagneettisissa ominaisuuksissa, valon käyttäytymisessä ja mekaanisessa lujuudessa. Myös pinta-alan suhde massaan kasvaa hyvin nopeasti hiukkaskoon laskiessa, mikä johtaa nopeampiin kemiallisiin reaktioihin. Näin ollen näille nanomateriaaleille on löydetty useita sovelluskohteita, muun muassa katalyyttiset materiaalit, sensorit sekä litium-ioniakut ja superkondensaattorit.

Aerosolitekniikkaan perustuvat menetelmät soveltuvat erityisen hyvin nanohiukkasten tuottoon yksinkertaisuutensa, tuotteiden puhtauden ja nestemäisten sivutuotteiden puutteen vuoksi. Näillä tekniikoilla saadaan myös helposti hallittua tuotettujen hiukkasten ominaisuuksia kuten kokoa, muotoa, koostumusta ja kiteisyyttä. Tällaisia aerosolitekniikoilla tuotettuja hiukkasia käytetään jo kaupallisissa tuotteissa esimerkiksi väriaineissa, katalyyteissä, sensoreissa, ja uusiutuvan energian sovelluksissa.

Väitöstutkimuksessa käytettiin kahta tuotantomenetelmää pirskotuspyrolyysiä ja liekkiruiskupyrolyysiä. Näillä tuotettiin erilaisia nanohiukkasia useista lähtöaineista. Alle viiden nanometrin kokoisia kulta-nanohiukkasia syntetisoitiin tarkoitukseen erityisesti suunnitellusta organometallisesta lähtöaineesta. Näitä hiukkasia voitaisiin hyödyntää muun muassa katalyyttisissä ja optisissa sovelluksissa. Toisaalta samalla menetelmällä tuotettiin myös litiumrautafosfaattihiukkasia käyttäen lähtöaineena teollisuuden sivuvirtana syntyvää rautasulfaattia. Tämä koe osoitti, että aerosolitekniikoilla voidaan syntetisoida nanohiukkasia edullisista, kierrätetyistä materiaaleista.

Lisäksi havaittiin, että aerosolitekniikkaan perustuvat synteesimetodit mahdollistavat tuotettujen hiukkasten ominaisuuksien optimoinnin sovelluskohtaisesti. Kun liekkiruiskupyrolyysiprosessia optimoitiin tuottamaan 40 nanometrin kokoisia hyvin kiteytyneitä litiumtitanaatti-nanohiukkasia, pystyttiin merkittävästi parantamaan energianvarastointikapasiteettia varsinkin korkeaa tehoa vaativissa olosuhteissa. Lisäksi samassa prosessissa onnistuttiin lisäämään hiukkasiin metallilisäaineita, jotka paransivat materiaalien sähkönjohtavuutta. Näin saatiin tuotettua litiumtitanaattia, josta valmistetuille akuille mitattiin lähes 20 prosenttia korkeampi kapasiteetti korkean tehon testeissä kuin kaupalliselle verrokille.

Litiumtitanaatti- ja litiumrautafosfaatti-nanomateriaalit muodostavat lupaavan elektrodiparin seuraavan sukupolven litium-ioniakkuihin. Tällaiset akut voisivat kestää kymmeniä tuhansia lataus- ja purkusyklejä ja ne voitaisiin ladata ja purkaa minuuteissa. Mahdollisia sovelluskohteita olisivat esimerkiksi nopeaa latausta vaativat sähköbussit, korkeaa tehoa tarvitsevat hybridiajoneuvot, työkoneet ja sähköautot, sekä pitkää käyttöikää vaativa uusiutuvan energian varastointi.

MPhys Tommi Karhusen sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja On gas-phase synthesis of nanoparticles for advanced energy solutions (Nanohiukkasten tuotto uusiutuvan energian sovelluksiin) tarkastetaan Luonnontieteiden ja metsätieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä tilaisuudessa toimii Lecturer Karsten Wegner,Swiss Federal Institute of Technology (ETH Zürich) ja kustoksena professori Jorma Jokiniemi, Itä-Suomen yliopisto.