Litiumioniakku teknologia on kennoteknologioista lupaavin, johtuen litiumionien tarjoamista fysikaalisista edusta. Litiumioniakut ovat tulleet suosituiksi niiden korkean energiatiheyden, pitkän elinkaaren ja turvallisuuden vuoksi. Jotta voitaisiin ottaa seuraava askel kohti suuren mittakaavan käyttökohteita, kuten sähköautoja ja liikkumattomia energiavarastoja, akkumateriaaleja on kehitettävä edelleen vastustamaan ikääntymistä. Tämä parantaisi litiumioniakkujen kestävää kehitystä ja vähentäisi niiden hintaa. Tämän työn tavoitteena oli tutkia vanhennettujen litiumioniakkumateriaalien heikentymistä ja ikääntymismekanismeja.

Työn kirjallisessa osiossa käydään läpi litiumioniakkujen tyypillistä rakennetta, toimintaa ja sähkökemiaa. Kirjallisessa osiossa esitellään myös tarkemmin työssä käytettyä negatiivi- (grafiitti) ja positiivielektrodimateriaalia (litium-nikkeli-mangaani-koboltti-oksidi), sekä niiden tilalla yleisesti käytettyjä vaihtoehtoja. Lisäksi esitellään tunnetut ikääntymismekanismit grafiitille sekä litium-nikkeli-mangaani-koboltti-oksidille. Osion lopussa esitellään lyhyesti työssä käytettyjä karakterisointimenetelmiä.

Kokeellisessa osiossa tutkittiin vanhennetun kaupallisen 18650 akkupariston grafiitti- ja LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2-elektrodin ikääntymisprosesseja vertaamalla tuloksia tuoreen akkupariston elektrodien kuntoon. Akut vanhennettiin käyttöiän loppuun 45°C lämpötilassa. Akkumateriaaleja tutkittiin erikseen puolikennoissa ennen ja jälkeen vanhentamisen. Vanhennetuista positiivi- ja negatiivielektrodimateriaaleista löydettiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla mikrohalkeamia, jotka ovat yhteydessä kapasiteetin heikentymiseen johtuen heikentyneestä kosketuspinnasta materiaalien välillä. Lisäksi negatiivielektrodin pinnalta löydettiin esiintymä valkoisia partikkeleita. Energiadispersiivisen röntgenspektroskopian tulokset osoittavat kiinteän elektrolyytti-interfaasin ja katodielektrolyytti-interfaasin muodostuvan vanhennettuihin elektrodeihin. Röntgendiffraktiomenetelmällä havaittiin kationien epäjärjestyksen kasvaneen huomattavasti vanhennetuissa positiivielektrodimateriaaleissa. Tämän tiedetään olevan yhteydessä kapasiteetin heikentymiseen. Negatiivielektrodien kationien epäjärjestyksen havaittiin olevan vähäisempää tutkimalla ID/IG intensiteettien suhdetta Raman spektroskopialla. Lisäksi Raman spektroskopialla havaittiin metallista litiumia negatiivielektrodissa, mikä viittaa litiumin pinnoittumiseen elektrodin pinnalle. Galvanostaattisissa mittauksissa vanhennettujen positiivielektrodien suorituskyky oli erittäin heikko. Vanhennettujen negatiivielektrodien suorituskyky on hyvä ja niiden hyötysuhde on lähellä 100 prosenttia. Vanhennettujen negatiivielektrodien differentiaalisella kapasiteettianalyysillä havaittiin vähäistä kapasiteetin heikentymistä ja kinetiikan nopeutumista verrattuna tuoreisiin negatiivielektrodeihin. Syklisen voltammetrian mittauksista havaittiin litium diffuusion olevan hidasta molemmilla elektrodeilla. Vanhennetun positiivielektrodin syklinen voltammetria viittaa kapasiteetin heikentyneen, johtuen H2-H3 faasimuutoksen pienentymisestä.