Tänapäeval kasutatavad liitiumioonakud on tavaliselt suletud jäikadesse korpustesse, mis kaitsevad nende siseosi mehaanilise pinge ja õhu eest. Näiteks võib elektrolüüdi kokkupuude hapnikuga põhjustada tulekahju või plahvatuse. Samuti on paljud tavakasutuses olevad elektrolüüdid väga mürgised. See muudab liitiumakud sobimatuks ka pehmete robotite, nutikate rõivaste ja muu painduva elektroonika jaoks, vahendab Ars Technica.

Uudne hüdrogeel

Painduvate akude arenduses on varem tehtud katseid hüdrogeelipõhiste elektrolüütidega. Need on aga senistes uuringutes vastu pidanud võrdlemisi lühikest aega: mõnikord mõned tunnid ning heal juhul paar päeva. Uus lahendus peab vastu vähemalt 500 täistsükli laadimist ehk sama palju, kui oodatakse tavaliselt nutitelefonide akudelt.

Uue aku arendamiseks pidi uurimisrühm looma stabiilse hüdrogeel-elektrolüüdi, mida poleks vaja mehaanilise stressi eest kaitsta ega sisaldaks mürgiseid aineid. Näiteks sisaldasid varem proovile pandud lahendused sageli fluoreeritud liitiumsooli, mis vähendasid vee lagunemist, kuid olid inimestele väga ohtlikud. Teadlaste eesmärk oli ühendada ohutus, paindlikkus ja pikk tööiga. 

Laiatarbeakudes on pinge tavaliselt 3,3 voldi juures, kuid need peavad taluma ohutuse nimel ka neljavoldist pinget. Tavaline vesi laguneb hüdrogeelides aga juba umbes 1,2 voldi juures. Selle vältimiseks arendasid teadlased välja geeli, mille aluseks on kaksikioonne polümeer – molekul, millel on nii positiivne kui ka negatiivne laeng. See võimaldab siduda vett piisavalt tugevalt, et see ei hakkaks kõrgema pinge juures lagunema, kuid samas laseb liitiumiioonidel liikuda.

Töörühm valmistas geeli ilma traditsioonilise vees leotamiseta. Vajamineva vee sai see ainult ümbritsevast õhuniiskusest. Kui tavapärane hüdrogeel sisaldab vett umbes 80 protsendi ulatuses, siis uues lahenduses oli seda vaid 20 protsenti. Katsetes püsis aku stabiilsena senikaua, kuni suhteline õhuniiskus ei ületanud 50 protsenti. 

Elektrolüüdi valmistamise järel lisasid teadlased elektroodid ning ehitasid täisfunktsionaalse aku. Katsetes suutis see energiaga varustada väikest kiipi ja LED-tulesid. Aku töötas väljaspool hermeetilist pakendit kauem kui kuu aega ning talus enam kui 3,1-voldist pinget ilma märkimisväärse vee lagunemiseta. Saavutatud tase on väga lähedal laiatarbeakude omadustele.

Aku vastupidavuse testimiseks painutasid teadlased seda 180 kraadi, läbistasid seda nõelaga ning lõikasid selle habemenoaga pooleks. LED-tuled põlesid edasi ka pärast akukahjustusi. Lisaks suutis aku pärast selle vigastamist ise terveneda, taastades pärast kokku panemist ja kuumutamist oma mahutavuse 90 protsendi ulatuses.

Arenguruumi jagub

Ehkki uus aku pidas vastu 500 laadimistsüklit, langes selle mahutavus katsete lõpuks umbes 60 protsendini. Poes müüdavate akude standard on ligikaudu 80 protsenti. Lisaks oli loodud aku energiatihedus tippklassi akudest ligi kümme korda väiksem. Samas rõhutasid teadlased, et lahendus ei ole mõeldud tavaliste akude asendamiseks, vaid uute rakenduste jaoks, kus aku kuju ja painduvus on kriitilise tähtsusega. Nende sõnul on võimalik energiatihedust parandada – sõltuvalt rakendusest võib selle parandamiseks ohverdada mõne aku praeguse omaduse näiteks isetervenemise.

Uuringu tulemused avaldati ajakirjas Science Advances.