A fogkrém egyik összetevője szinten tarthatja az elektromos autók hatótávját

Sok fogkrém összetevője a nátrium-fluorid, a fluor egyik vegyülete. Ezt azért adják hozzá a fogkrémhez, hogy megvédje a fogakat a szuvasodástól. De a fluortartalmú vegyületeknek más gyakorlati felhasználása is van, amelyekre talán nem is gondolnánk. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DOE) Argonne National Laboratoryjának tudósai felfedeztek egy fluorid elektrolitot, amely megvédheti a következő generációs akkumulátort a teljesítmény csökkenésével szemben.

„A lítium-ionon túli elektromos járművek akkumulátortípusainak izgalmas új generációja van a láthatáron” – mondta Zhengcheng (John) Zhang, az Argonne vegytudományi és mérnöki részlegének csoportvezetője.

A nem lítium-ion akkumulátorok kémiája a lítium-ionhoz képest dupla vagy még több energiát kínál adott térfogatban vagy tömegben tárolva. Sokkal nagyobb távolságokra is képesek eljuttatni az autókat, és egy napon akár hosszú távra épített teherautókat és repülőgépeket is meghajtanak. A várakozások szerint az ilyen elemek széles körben elterjedt használata segíteni fog az éghajlatváltozás problémájának kezelésében. A fő probléma az, hogy nagy energiasűrűségük ismételt feltöltéssel és kisütéssel gyorsan csökken.

Az egyik fő versenyző a lítium-ion akkumulátorokban szokásosan használt grafit helyett lítium fémből készült anódot (negatív elektródát) kapott. Ezért „lítium-fém” akkumulátornak nevezik. A katód (pozitív elektróda) egy fém-oxid, amely nikkelt, mangánt és kobaltot (NMC) tartalmaz. Noha a lítium-ion akkumulátorral elérhető energiasűrűség több mint kétszeresére képes, ez a kiemelkedő teljesítmény sajnos gyorsan eltűnik, kevesebb mint száz töltési-kisütési cikluson belül.

A csapat megoldása magában foglalta az elektrolit cseréjét, egy folyadékot, amelyen keresztül a lítium-ionok a katód és az anód között mozognak a töltés és kisütés megvalósítása érdekében. A fém lítium akkumulátorokban az elektrolit egy oldószerben oldott lítiumtartalmú sóból álló folyadék. A rövid ciklus-élettartam probléma forrása, hogy az elektrolit az első néhány ciklusban nem képez megfelelő védőréteget az anód felületén. Ez a réteg, amelyet szilárd elektrolit interfázisnak (SEI) is neveznek, védőként működik, lehetővé téve a lítium-ionok szabad bejutását az anódba és onnan az akkumulátor feltöltéséhez, illetve kisütéséhez.

A csapat felfedezett egy új fluorid oldószert, amely egy robusztus védőréteget tart fenn több száz cikluson keresztül. Egy pozitív töltésű fluorozott komponenst (kation) kapcsol össze egy másik fluorozott komponenssel, amely negatív töltésű (anion). Ezt a kombinációt a tudósok ionos folyadéknak nevezik – pozitív és negatív ionokból álló folyadéknak.

“Az új elektrolitunkban a legfontosabb különbség a hidrogénatomok fluorral való helyettesítése az ionos folyadék kationos részének gyűrűszerű szerkezetében” – mondta Zhang. „Ez jelentette a különbséget a nagy teljesítmény fenntartásában több száz cikluson keresztül egy teszt lítium fém cellában.”

Az atomi léptékű különbség mögött meghúzódó mechanizmus jobb megértése érdekében a csapat az Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), a DOE Office of Science felhasználói létesítményének nagy teljesítményű számítási erőforrásaira támaszkodott.

Ahogy Zhang elmagyarázta, az ALCF Theta szuperszámítógépén végzett szimulációk kimutatták, hogy a fluorkationok az anód- és katódfelületekhez tapadnak és felhalmozódnak, mielőtt bármilyen töltés-kisülés ciklust végeznének. Ezután a ciklus korai szakaszában egy rugalmas SEI réteg képződik, amely felülmúlja a korábbi elektrolitokkal megvalósítható élettartamot.

Az Argonne and Pacific Northwest National Laboratoryban végzett nagyfelbontású elektronmikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy az anódon és a katódon lévő erősen védő SEI réteg stabil ciklust eredményezett.

A csapatnak sikerült beállítania a fluorid oldószer és a lítium só arányát, hogy optimális tulajdonságokkal rendelkező réteget hozzanak létre, beleértve a nem túl vastag vagy vékony SEI-vastagságot. Ennek a rétegnek köszönhetően a lítium-ionok hatékonyan áramolhatnak be és ki az elektródákból a töltés és kisütés során több száz cikluson keresztül.

A csapat új elektrolitja sok más előnyt is kínál. Alacsony költségű, mert rendkívül nagy tisztasággal és hozammal készíthető egy egyszerű lépésben, nem pedig több lépésben. Környezetbarát, mert sokkal kevesebb oldószert használ, ami illékony és szennyeződéseket juttathat a környezetbe. És biztonságosabb, mert nem gyúlékony.

„A fluorkationos elektrolitunkat tartalmazó lítium-fém akkumulátorok jelentősen fellendíthetik az elektromos járműipart” – mondta Zhang. “És ennek az elektrolitnak a hasznossága kétségtelenül kiterjed a lítium-ionon kívül más típusú fejlett akkumulátorrendszerekre is.”