Väitös: Turvallisempia akkuja pienlaitteisiin – terminen ruiskutus avaa uusia mahdollisuuksia kiinteän olomuodon akkujen valmistukseen
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 väitöstutkimuksessa tarkasteltiin, miten eri termisen ruiskutuksen menetelmiä ja laserjälkikäsittelytekniikoita voitaisiin hyödyntää näiden akkujen valmistuksessa.
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.
Väitöstutkimuksessa tarkastellaan uudentyyppisiä ohutkalvoisia täysin kiinteän olomuodon akkuja.
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.
Tässä tutkimuksessa tarkastellut ohutkalvoiset kiinteän olomuodon akut ovat erityisen lupaavia pienikokoisissa ja kehittyvissä teknologioissa.
– 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 Arman 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.
Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin uusia akkuvalmistusmenetelmiä, joissa käytetään eri termisen ruiskutuksen menetelmiä ja laserjälkikäsittelytekniikoita. 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.
Menetelmää sovellettiin kahteen akun kannalta kriittiseen osaan: anodiin, joka varastoi litiumia latauksen aikana, sekä kiinteään elektrolyyttiin, joka mahdollistaa litiumionien turvallisen liikkumisen akun sisällä.
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.
Tutkimuksessa hyödynnettiin synkrotronitutkimuslaitosten edistyneitä mittausvälineitä, joiden avulla oli mahdollista tarkastella akun kerroksia hyvin yksityiskohtaisesti ja tarkasti. Välineiden avulla voitiin havaita muutoksia, joita ei ole mahdollista nähdä tavallisilla laboratoriolaitteilla. Näin tutkimuksessa voitiin selvästi yhdistää valmistusmenetelmät materiaalin laatuun ja akun suorituskykyyn.
Tutkimus tarjoaa uutta tietoa siitä, miten kiinteän olomuodon akkumateriaalit käyttäytyvät nopeissa teollisissa valmistusprosesseissa. Tutkimus osoittaa, että eri termisen ruiskutuksen mentelmillä ja laserjälkikäsittelytekniikoilla voidaan valmistaa toiminnallisia akkukerroksia, ja tutkimus tuo samalla esille sekä tekniikoiden potentiaalin että nykyiset rajoitukset.
– Tutkimuksessa tunnistettiin parhaiten toimivat prosessit ja missä materiaalivaurioita voi esiintyä, mikä tarjoaa käytännön ohjeita akkujen kehitykselle tulevaisuudessa, ja osoittaa termisen ruiskutuksen ja laserjälkikäsittelyn mahdollisiksi menetelmiksi ohutkalvoisten kiinteän olomuodon akkujen valmistuksessa. Tämä voi edistää yhä turvallisempien ja skaalautuvampien akkuteknologioiden kehittämistä, Hasani sanoo.
Väitös perjantaina 20.2.
M.Sc., Arman Hasani esittää väitöskirjansa ”Advanced Characterization of Thermally Sprayed Thin-Film All-Solid-State Batteries” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 20.2.2026 klo 12.00 (Turun yliopisto, Publicum, Pub3, Assistentinkatu 7, Turku).
Vastaväittäjänä toimii apulaisprofessori Heli Koivuluoto (Tampereen yliopisto) ja kustoksena apulaisprofessori Ashish Ganvir (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on konetekniikka.
