Új típusú akkumulátor a láthatáron
Az elektromos járművek iránti kereslet növekedésével a nagy biztonságú, hosszú élettartamú akkumulátorok iránti igény is megnőtt. Az elektromos járművek nagy energiasűrűségű akkumulátorok iránti igénye azonban meghaladja a jelenlegi lítium-ion akkuk képességeit. A tudósok olyan lítium-fém akkumulátorok kifejlesztésén fáradoznak, amelyek anódjaként lítium-fémet használnak, mivel ezek az akkumulátorok sokkal nagyobb töltési kapacitással rendelkeznek. A lítium-fém akkumulátorokkal azonban vannak biztonsági problémák, mivel a töltési folyamat során dendritek – tüskés, fémes mikrostruktúrák – képződnek.
A lítium-fém akkumulátorokban a semleges töltésű fém lítium szolgáltatja az anódot. Ez eddig többnyire nem újratölthető formában, azaz elemekben volt fellelhető, míg a lítium-ion akkuk alapanyagaként szolgált.
Egy kínai kutatócsoport a lítium-dendrit képződés problémájának megoldására és a nagy biztonságú, hosszú élettartamú fém lítium akkumulátorok megalkotására törekedett. A csapat sikeresen megtervezett egy elektrolitot, amely elnyomja a dendritek képződését. Ez az elektrolit kiváló teljesítményt nyújt a fém lítium akkumulátorokban, és megoldásokat kínál a nagy biztonságú, hosszú élettartamú lítium fém akkumulátorok építésére irányuló kutatásban.
A csapat eredményeit a Nano Research folyóiratban tették közzé 2022. október 3-án.
Míg a lítium-fém anódok nagy potenciállal rendelkeznek a nagy energiájú akkumulátorok számára, a lítium-dendrit ellenőrizhetetlen növekedése komoly aggályokat vet fel. A dendritnövekedés akkor következik be, amikor a lítium-ionok a lítium-fém felületén egy meghatározott helyre mozognak és átalakulnak. A dendritek rossz ciklikussági hatékonyságot okoznak az akkumulátorban, és súlyos biztonsági problémát jelentenek.
A csapat a dendritproblémát a hagyományos elektrolitok és a nagy koncentrációjú elektrolitok előnyeinek kombinálásával oldotta meg. A nagy koncentrációjú elektrolitok kiküszöbölik a hagyományos elektrolitok néhány hiányosságát, és rendkívül ígéretesnek tűnnek következő generációs akkumulátorokban való felhasználása kapcsán.
“Egyedülálló szerkezete nemcsak az ionok egyenletes átalakulását segíti elő az elektróda felületén, hanem biztosítja az ionok gyors mozgását is az elektrolitban” – mondta Csunpeng Jang, a Tiencsin Egyetem professzora.
A kutatók munkájukat numerikus szimulációk futtatásával kezdték, hogy feltárják a negatív töltésű bevonat hatását a határfelületi nagy koncentrációjú elektrolit indukálására. Ezután a kutatók a koncepció bizonyítékaként a nitrogénnel és oxigénnel átjárt szén nanolemezeket, amelyek felületi negatív töltéssel rendelkeznek, nikkel habbal vonták be az elektróda létrehozásához.
A pozitív töltésű lítium-ionok a nitrogénnel és oxigénnel adalékolt szénelektród közelében koncentrálódnak, amely nikkellel van bevonva. A lítium-ionok ezen koncentrációja elősegíti az elektródán zajló töltésátviteli reakciókat, amelyek hozzájárulnak a kiemelkedő elektrokémiai ciklusteljesítményekhez. A kutatók félcellás és teljes cellás teszteket végeztek az elektródán, kiváló eredménnyel. Elektródájuk sokkal jobban teljesít, mint a többi tiszta nikkelhab alapú változat.
“Ez egy egyszerű elvet biztosít a lítium-dendritek elnyomására, miközben figyelembe veszi a hagyományos elektrolit és a nagy koncentrációjú elektrolit előnyeit a stabil Li fém anódhoz, amely alkalmazható más hordozókra a praktikus fémakkumulátorok számára” – folytatta Jang.
Azon túl, hogy negatív felületi töltésű anyagokat visznek fel az elektródára, hogy elősegítsék a határfelületi nagy koncentrációjú elektrolitok képződését, a csapat azt tervezi, hogy más módokat is keres ennek az egyedülálló elektrolitszerkezetnek a létrehozására, amellyel nagy teljesítményű akkumulátorokat lehet előállítani.
A kutatók azt remélik, hogy az akkumulátorkomponensek szisztematikus optimalizálásával elérhetik a nagy energiasűrűséggel, nagy biztonsággal és hosszú élettartammal rendelkező Li fém akkumulátorok kereskedelmi alkalmazását. “Tanulmányaink eredményeit több fémelemes rendszerre is kiterjeszthetjük, például nátrium-, cink- és magnézium-fémelemekre, amelyek hozzájárulnak majd a fenntartható energiaellátást szolgáló nagyszabású energiatárolás megvalósításához” – zárta gondolatait Jang.
