Mis kehtis eile, ei kehti enam täna ja mis kehtib täna, on homme ilmselt juba aegunud. Nii võiks kirjeldada arenguid akutööstuses, kust vupsab uusi lahendusi nagu seeni pärast vihma. Kui maailma ühe edumeelsema elektriautode tootja Tesla juht Elon Musk on öelnud, et tema näeb elektriautode tulevikku eelkõige seoses kondensaatoritega, siis ei maksaks ka akusid veel kaugeltki maha matta.

Nimelt tuli Illinoisi ülikooli professor Paul Braun ühes kolleegidega paar nädalat tagasi lagedale katsejärgus akuga, mille laadimiseks kulub tõepoolest vaid paar minutit. Teadlaste seni edukaim katse näitas, et aku saab pea täielikult täis laadida pelga kahe minuti jooksul, kirjutab The Economist.

Täpsest koostisest olenemata töötavad enamkasutatavad akud põhimõtteliselt samadel alustel. Neil on kaks elektroodi – anood ja katood – mis on omavahel ühenduses voolu juhtiva materjali vahendusel, mida kutsutakse elektrolüüdiks. Enamasti on selleks mõni vedelik. Kui akut tühjaks laetakse, liiguvad negatiivselt laetud elektronid anoodilt katoodile läbi välise elektriringe, kus nad vahepeal „tööle pannakse“. Positiivselt laetud ioonid liiguvad aga aku sees läbi elektrolüüdi anoodilt katoodile, et elektroodide elektrilaenguid tasakaalustada. Aku laadimise ajal sunnitakse elektronid mööda vooluringi tuldud teed tagasi minema ja ioonidki naasevad sinna, kust nad tulid.

Akudes saab positiivsete ioonidena kasutada mitmeid erinevaid materjale. Viimastel aastatel on oma kerguse tõttu tõusnud akutaeva eredaimaks täheks liitium, kuna liitiumakud suudavad kaaluühiku kohta kõige rohkem energiat talletada. Enne liitiumi võidukäiku eelistati paljudes seadmetes nikkel-metallhübriid akusid, mis on ka tänaseni laialdaselt kasutuses. Seetõttu otsustas Dr. Braun, et teeb mõlemast akutüübist ka ülikiirelt laetava versiooni.

Laadimiskiirus vs mahutavus?

Akuvalmistajate põhiprobleemiks on seni olnud asjaolu, et akude laadimiskiirus sõltub eletkrolüüdi ja elektroodide kontaktpinna suurusest. Õhuke, võileiva-laadne paigutus, kus katood, elektrolüüt ja anood on tihedalt koos, lubab küll akut kiiresti tühjendada ja laadida, kuid kiiruse eest tuleb ka lõivu maksta. Aku mahutavus sõltub nimelt elektroodide mahust ja seega ei saa õhuke aku kuigi kaua kesta. Tuli leida võimalus, kuidas suurendada kontaktipinda, ilma et peaks aku kompaktsuse ohvriks tooma. Just sellega ongi Dr. Braun hakkama saanud. Ja mis on samuti oluline – tema lahendus sobib ka masstootmiseks.

Brauni algmaterjal, nagu mees ise ajakirjas Nature Nanotechnology ilmunud artiklis kirjeldab, on valmistatud tihkelt pakitud polüstüreenist sfääridest (joonisel hall), mille läbimõõduks on vaid miljondik millimeetrist. Sarnase struktuuri võib leida ka opaalist (välja arvatud see, et opaali sfäärid koosnevad ränist) ja ka tulemus on tõepoolest opaali-laadne.

Järgmiseks sammuks oli sfääridevaheliste tühimike täitmine nikliga (joonisel roheline), misjärel tuli materjali kuumutada, et polüstüreen välja sulatada. Tulemuseks oli metallilisest niklist valmistatud käsn. Seejärel tuli sfääriliste tühimike ja „käsna“ vahelisi ühendusi laiendada – selleks kasutati elektropoleerimiseks nimetatavat tehnikat, mille abil lahustati metalli pinnakiht. See lõi voolu juhtiva sõrestiku, mida on võimalik katta katoodide valmistamiseks kasutatavate materjalidega (joonisel kollane).

Brauni meeskonnapoolt loodnud uudne kärgjas katood

Tulemuseks on väga suur kontaktipind nikli (mis juhib elektronid akusse ja sealt välja), katoodi (mis juhib ioonid läbi elektrolüüdi, kompenseerimaks elektronide liikumist) ning elektrolüüdi (läbi mille ioonid katoodi ja anoodi vahel liiguvad) vahel, andmata samas järgi katoodi suuruse osas. Täpselt sellist akut Braun sooviski.

Dr. Brauni sõnade kohaselt on tulemuseks aku, mille laadimiskiirus on tavalisest 10-100 korda kiirem – uurijad on juba katsetanud versiooni, mis saavutab 90%-lise laetuse kahe minutiga – ja mis maksab tootmisküpseks saades hinnanguliselt vaid 20-30% rohkem, kui praegused akud. Brauni hinnangul saab aku maksumust tõenäoliselt vähendada, kui rakendada sarnast tehnikat ka anoodi juures. Just sellega Braun praegu tegelebki.

Ainult akudest ei piisa

Lõppkokkuvõttes ei ole aga asi sugugi nii roosiline, kui esmapilgul paistab. Et kiiresti laetavatest akudest tõeliselt kasu lõigata, peaks nii laadimisvõrgustikud kui elektriautode juhtmestik olema praegusest hulga tugevam, et suure voolutugevusega toime tulla. Kui see küsimus lahendada suudetakse, saab elektriautosid laadida juba lähiaastatel praktiliselt sama kiiresti, nagu praegu bensiini ja diislit tangitakse.

Sel juhul pääsevad ehk maksvusele ka elektrimootori peamised eelised vanamoelise sisepõlemismootori ees: lihtne ehitus, hea kiirendusvõime ja vaikne töö. Siis võib ehk ka juba ammu lubatud elektriautode revolutsioon lõpuks reaalsuseks saada. Millest hakatakse tootma elektriautodele tarvilikku elektrit, on aga juba mõne teise loo teema.