Új típusú elektródák segíthetik hozzá az elektromos autókat a hatótáv ugrásszerű növeléséhez
Az elektromos járművek népszerűségének növekedésével a egyre nagyobb reflektorfénybe kerülnek azok a problémák, melyekkel szemben a jelen tudománya is látszólag tehetetlen. Az austini Texasi Egyetem kutatói az elektromos járművek előtt álló két nagyobb kihívással küzdenek: a korlátozott hatótávolsággal és a lassú újratöltéssel.
A kutatók új típusú elektródát fejlesztettek lítium-ion akkumulátorokhoz, melyek nagyobb teljesítményt és gyorsabb töltést tehetnek elérhetővé. Ezt úgy érték el, hogy vastagabb elektródákat építettek be– az akkumulátor pozitív és negatív töltésű részeit, amelyek energiát közölnek az akkumulátor hálózatával – mágnesek segítségével egyedi elrendezést hoztak létre, amely kikerüli a kritikus alkatrészek méretezésével kapcsolatos gyakori problémákat.
Az eredmény egy olyan elektróda, amely potenciálisan megduplázhatja a hatótávolságot egyetlen feltöltéssel egy elektromos jármű esetében egy meglévő kereskedelmi elektródát használó akkumulátoréhoz képest.
“A kétdimenziós anyagokat általában ígéretes jelöltnek tartják a nagy teljesítményű energiatárolási alkalmazásokhoz, mivel csak több nanométer vastagságúnak kell lenniük a gyors töltésszállításhoz” – mondta Guihua Yu, az UT Austin Walker Gépészmérnöki Tanszékének és Texasi Egyetem Anyagtudományi Intézetének professzora. „Azonban a vastag elektródák tervezésén alapuló, következő generációs, nagy energiájú akkumulátorok esetében a nanolapok építőelemekké való újraépítése jelentős szűk keresztmetszeteket okozhat a töltésszállításban, ami megnehezíti mind a nagy energiafelhasználás, mind a gyors töltés elérését.”
A Proceedings of the National Academy of Sciences folyóiratban megjelent felfedezés vékony, kétdimenziós anyagokat használ az elektródák építőelemeiként, egymásra helyezve őket, hogy kellően nagy anyagvastagságot hozzon létre, majd mágneses mező segítségével manipulálja a tájolásukat. A kutatócsoport kereskedelmi forgalomban kapható mágneseket használt a gyártási folyamat során, hogy a kétdimenziós anyagokat függőlegesen elrendezzék, gyors sávot teremtve az ionok áthaladásához az elektródán.
A vastagabb elektródák általában nagyobb távolságok megtételére kényszerítik az ionokat, hogy áthaladjanak az akkumulátoron, ami lassabb töltési időt eredményez. Az elektródát alkotó anyagrétegek tipikus vízszintes elrendezése oda-vissza kígyózásra kényszeríti az ionokat.
“Elektródánk kiváló elektrokémiai teljesítményt mutat, részben a nagy mechanikai szilárdságnak, nagy elektromos vezetőképességnek és az általunk tervezett egyedi architektúra által megkönnyített lítium-ion-transzportnak köszönhetően” – mondta Zhengyu Ju, Yu kutatócsoportjának végzős hallgatója, aki a szóban forgó projektet vezeti.
Amellett, hogy összehasonlították elektródájukat egy kereskedelmi forgalomban kapható elektródával, egy vízszintesen elhelyezett elektródát is készítettek ugyanazon anyagok felhasználásával kísérleti és ellenőrzési célokra. A függőleges vastag elektródát 30 perc alatt 50%-os energiaszintre tudták feltölteni, szemben a vízszintes elektródával, melyet csak 2 óra 30 perc alatt.
A kutatók hangsúlyozták, hogy munkájuk elején járnak ezen a területen. Ebben a kutatásban csak egyetlen típusú akkumulátorelektródát vizsgáltak.
Céljuk, hogy általánossá tegyék a függőlegesen rendezett elektródarétegek módszertanát, hogy más anyagok felhasználásával különböző típusú elektródákra alkalmazzák. Ez elősegítheti a technika szélesebb körű elterjedését az iparban, így lehetővé teheti a jövőbeni gyorsan tölthető, de nagy energiájú akkumulátorokat, amelyek elektromos járműveket hajtanak meg.
