Dél-koreai kutatók mindössze 2,77 mikrométer vastag, anód nélküli szilárdtest-akkumulátort fejlesztettek
A dél-koreai Dongguk Egyetem kutatói anód nélküli szilárdtest-akkumulátor prototípusát fejlesztették ki, amely 100 töltési ciklus után 235 Wh/l energiasűrűséget ért el. A mindössze 2,77 mikrométer vastag akkumulátorban egy újfajta ón- és széntartalmú köztes réteg segít csökkenteni a lítiumveszteséget és javítani a megbízhatóságot. Ez egyelőre nem áttörés az elektromos autók akkumulátortechnológiájában, de a megoldás segíthet kezelni a szilárdtest-akkumulátorok egyik legnagyobb műszaki gyengeségét.
Az anód töltés közben alakul ki
Az Advanced Energy Materials tudományos folyóiratban „Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode” címmel megjelent tanulmány a lítium lerakódásának szabályozásával foglalkozik a szilárdtest-akkumulátorokban. A hagyományos lítiumion-akkumulátorokban az anód és a katód különálló, a lítiumionok pedig töltés közben közöttük mozognak. Az új kialakításban a gyártáskor nincs hagyományos anódréteg. Az első töltés során a lítium a katódból az áramgyűjtőre jut, és ott fémes lítiumréteget képez.
Ezzel a megoldással csökkenthető az akkumulátor mérete, és növelhető az egységnyi térfogatban tárolt energia mennyisége. A gondot azonban a lítium egyenetlen lerakódása jelenti, amely kapacitásvesztést és belső rövidzárlatot okozhat.
Az ón és a szén javítja az akkumulátor stabilitását
A kutatók megoldásában a rézből készült áramgyűjtőre rendkívül vékony, ón- és széntartalmú köztes réteg kerül.
Az ón segíti a lítium lerakódásának megindulását, a szén pedig elősegíti, hogy a lítium egyenletesebben oszoljon el. Ez csökkenti annak kockázatát, hogy töltés közben szabálytalan lítiumstruktúrák alakuljanak ki, vagy a lítium elektromosan elszigetelődjön, és többé ne vegyen részt az energiatárolásban. A kutatók előlítiumosítást is alkalmaztak: kis lítiumtartalékot juttattak a rendszerbe, hogy ellensúlyozzák a kezdeti működési ciklusok visszafordíthatatlan veszteségeit.
A prototípus lítium-vanádium-oxid katódot és LiPON típusú szilárd elektrolitot használ. A katód körülbelül 2 mikrométer vastag, míg a teljes akkumulátorcella vastagsága 2,77 mikrométer.
100 töltési-kisütési ciklus után a cella 235,13 Wh/l térfogati energiasűrűséget ért el. A tesztet nagyon kis áramerősség mellett, 0,01 C töltési sebességgel végezték.
Az energiasűrűség még nem elegendő az elektromos autókhoz
Bár az eredmény új megközelítést mutat a szilárdtest-akkumulátorok fejlesztésében, a 235 Wh/l a mai elektromos autók mércéjével nem kiemelkedő érték.
A korszerű lítiumion-akkumulátorok cellaszinten több száz Wh/l energiasűrűséget is elérhetnek. A Dongguk Egyetem prototípusa ezért nem tekinthető a Toyota, a CATL vagy más nagy akkumulátorgyártók által fejlesztett elektromosautó-akkumulátorok közvetlen versenytársának.
Ennél fontosabb az alapul szolgáló tervezési elv. Az anód nélküli kialakítás a jövőben csökkentheti az anyagfelhasználást, és kompaktabb akkumulátorcellákat tehet lehetővé.
A jelenlegi prototípus esetében azonban továbbra is kérdéses a hosszú távú tartósság, a nagy áramerősségű töltés, a gyártási költség és az, hogy a technológia miként alkalmazható a nagyüzemi akkumulátorgyártásban.
Az új megközelítés különösen alkalmas lehet viselhető elektronikai eszközökhöz, orvostechnikai eszközökhöz és kis méretű érzékelőkhöz, amelyeknél az akkumulátor mérete gyakran fontosabb az energiasűrűségnél.
Fontos kutatási irány az európai akkumulátoripar számára
Az európai akkumulátorgyártók és autóipari vállalatcsoportok szilárdtest-akkumulátorokba fektetnek be, abban bízva, hogy növelhetik a hatótávolságot, javíthatják a biztonságot és csökkenthetik a hagyományos lítiumion-akkumulátoroktól való függést.
A Dongguk Egyetem munkája ugyanakkor azt mutatja, hogy a szilárdtest-akkumulátorok sikere nem kizárólag az új elektrolitokon múlik. Legalább ilyen fontos az elektródák határfelületén zajló folyamatok szabályozása.
A tanulmány valódi értéke nem a 235 Wh/l energiasűrűségben rejlik, hanem abban a lehetőségben, hogy az anód nélküli akkumulátor stabilabbá tehető. Ha a kutatók ugyanezt az elvet nagyobb cellákban és nagyobb töltőáramok mellett is alkalmazni tudják, az hozzájárulhat a következő generációs akkumulátorok fejlesztéséhez.
A technológia egyelőre laboratóriumi szakaszban van. Jelentős további fejlesztésre lenne szükség, mielőtt elektromos autókban alkalmazni lehetne.
