A dél-koreai akkumulátorgyártó SK On jelentős tudományos áttörést jelentett be a lítiumion-akkumulátorok egyik legkritikusabb területén, a katódanyagok fejlesztésében. A vállalat a Seoul National University kutatóival közösen egy nagy sűrűségű, nagy felületű, egykristályos katódelektródát fejlesztett ki, amely alapjaiban javíthatja az akkumulátorok teljesítményét és élettartamát.
Miért probléma a mai katódok szerkezete?
A jelenleg alkalmazott katódanyagok döntő többsége polikristályos felépítésű, vagyis egyetlen részecske több apró kristály aggregátumából áll. Ezeknél a kristályhatárok a hengerléses tömörítés, valamint a töltési és kisütési ciklusok során feszültségkoncentrációt okoznak. Ennek következménye lehet a repedések kialakulása, a fokozott gázképződés, valamint az akkumulátor hosszú távú stabilitásának és élettartamának romlása.
Az egykristályos katód előnyei
Az egykristályos katódanyagok esetében minden egyes részecske egyetlen összefüggő kristályt alkot. Ez a szerkezet lényegesen ellenállóbb a mechanikai igénybevételekkel szemben, jelentősen csökkenti a repedések kialakulásának esélyét, és javítja a ciklusállóságot. Emellett kedvezően hat az akkumulátor általános stabilitására és energiasűrűségére is, ami kulcsfontosságú az elektromos járművek és energiatároló rendszerek jövője szempontjából.
Tudományos elismerés: Nature Energy
Az SK On és a Kisuk Kang professzor vezette kutatócsoport eredményeit a világ egyik legrangosabb energetikai tudományos folyóirata, a Nature Energy közölte, ami önmagában is jelzi a fejlesztés jelentőségét.
A legnagyobb kihívás: nagy szemcseméret és stabilitás
A fejlesztés során az egyik legnagyobb akadályt az jelentette, hogy az egykristályos katódanyagok előállításakor egyszerre kellett nagy szemcseméretet és magas szerkezeti stabilitást elérni. Ez különösen a magas nikkeltartalmú katódoknál problémás, mivel ezek hosszú ideig tartó, magas hőmérsékletű hőkezelést igényelnek, ami kationrendezetlenséghez vezethet, rontva az akkumulátor teljesítményét és ciklusélettartamát.
Új szintézismódszer, látványos eredmények
A kihívásra válaszul az SK On és a Szöuli Nemzeti Egyetem kutatói egy új szintézismódszert dolgoztak ki. Az eljárás során először nátriumalapú katódokat hoztak létre, majd egy ioncserés reakcióval lítiumra alakították át azokat. Ennek eredményeként ultramagas nikkeltartalmú, körülbelül 10 mikrométeres szemcseméretű, minimális szerkezeti hibát tartalmazó egykristályos katódok jöttek létre, ami nagyjából kétszerese a hagyományos megoldásoknál megszokottnak.
Az új katódok nemcsak magas energiasűrűséget, hanem kiemelkedő mechanikai és kémiai stabilitást is mutattak. A kationrendezetlenség hiánya miatt alacsonyabb belső feszültség alakult ki, a gázképződés a polikristályos katódokhoz képest huszonötször alacsonyabb volt, miközben az energiasűrűség elérte a kristályelméleti maximum 77 százalékát. „Ez a kutatás egyértelműen bizonyítja az SK On technológiai versenyképességét az akkumulátoranyagok területén” – mondta Kisoo Park, az SK On Jövőtechnológiai Intézetének vezetője. „Továbbra is erősíteni fogjuk technológiai vezető szerepünket az ipar és az akadémiai szféra közötti innovatív kutatás-fejlesztési együttműködések révén.”
Merre tovább?
Az SK On és a Szöuli Nemzeti Egyetem már további kutatásokat tervez a következő generációs katódanyagok fejlesztésére. A jövőbeni vizsgálatok fejlettebb anyagösszetételekre, új szintézistechnikákra és az eltérő méretű egykristályos részecskék optimális kombinációjára fókuszálnak, hogy az energiasűrűség tovább növelhető legyen.
