Egy kínai kutatócsoport áttörte azt a határt, amelyről eddig jórészt csak elméleti tanulmányokban lehetett olvasni. A Tianmushan Lab és a Tsinghua Egyetem szakemberei olyan lítium-fém akkumulátort fejlesztettek, amelynek energiasűrűsége bizonyos összeállításban meghaladja a 600 Wh/kg-ot. Ez nem egy apró, éves ütemű javulás a sok közül — majdnem a duplája annak, amit a ma kereskedelmi forgalomban lévő, grafitanódos lítiumion-cellák valaha is elérhetnek. Az eredményt nemrég közölték a rangos Nature Communications szaklapban, és bár a technológia még messze van a tömeggyártástól, a szakma máris felkapta rá a fejét.
Miért pont most kellett ez az áttörés?
A fejlesztés különösen fontos időszakban érkezik, hiszen Kínában és világszerte egyre gyorsabban nő az úgynevezett „alacsony magasságú gazdaság” — vagyis a drónok, illetve az elektromos, függőlegesen fel- és leszállni képes eVTOL repülőgépek piaca. A kereslet folyamatosan bővül ezekre az eszközökre, ám a széles körű kereskedelmi elterjedésüket máig alapvetően korlátozza egyetlen tényező: az akkumulátorok energiasűrűsége, és az ebből fakadó rövid repülési idő. Minél nagyobb tömeget kell a levegőbe emelni ugyanannyi energiával, annál élesebben jelentkezik ez a probléma, így itt a fejlődés üteme szó szerint azt szabja meg, meddig maradhat a levegőben egy adott jármű. Éppen ezért minden Wh/kg-os javulás sokkal nagyobb gyakorlati súllyal bír ezen a területen, mint mondjuk egy hagyományos elektromos autónál.
Ahol eddig mindenki elakadt
A jelenleg kereskedelmi forgalomban lévő, grafitanódos lítiumion-akkumulátorok energiasűrűsége egyre közelebb kerül a technológia mintegy 350 Wh/kg-os elméleti határához. Emiatt ezekkel a hagyományos megoldásokkal egyre nehezebb olyan további előrelépést elérni, amely megfelelne a hosszú repülési időt és nagy hatótávot igénylő alkalmazások követelményeinek. A lítium-fém akkumulátorokat nagy fajlagos kapacitású anódanyaguk miatt régóta az egyik legígéretesebb megoldásnak tartják erre a problémára, ám a kereskedelmi bevezetésüknek komoly akadályai vannak. Az iparágnak eddig nehézséget okozott egyszerre biztosítani a nagy energiasűrűséget, a hosszú ciklusélettartamot és a megfelelő biztonságot, mivel nagy feszültségű működés során az elektrolit lebomolhat, a lítium-fém anódon pedig lítium-dendritek alakulhatnak ki. Ezek a dendritek nemcsak a teljesítményt és az élettartamot rontják, hanem komoly biztonsági kockázatot is jelentenek — éppen ez tartotta vissza eddig a technológiát a valódi kereskedelmi áttöréstől.
A lítium-fém akkumulátor trükkje: egy adalékanyag, ami két oldalon is stabilizál
A problémák megoldására a kínai kutatócsoport egy új tervezési stratégiát alkalmazott, amelyet ők maguk „adalékanyag-erős koordinációs szolvatációs szerkezetnek” neveznek. Ennek segítségével egy új típusú elektrolit-adalékanyagot fejlesztettek ki, amely a katód felületén vékony, ugyanakkor sűrű és stabil védőréteget alakít ki, ez pedig mérsékli a nagy feszültségen végzett töltési-kisütési ciklusok okozta anyagszerkezeti károsodásokat. Ezzel párhuzamosan a lítium-fém anódon is stabil határfelületi réteg jön létre, amely visszaszorítja a korábban említett lítium-dendritek kialakulását. A kutatók szerint ez a kettős védelem jelentősen javítja a lítiumionok transzportjának hatékonyságát, miközben csökkenti az akkumulátor működésével járó biztonsági kockázatokat. Vagyis a legfontosabb eredmény nem is önmagában a rekord energiasűrűség, hanem az, hogy ezt sikerült a technológia stabilitásának javításával egyszerre elérni — korábban ugyanis pont ez a kombináció bizonyult a legnehezebben megoldható feladatnak.
A számok: 550,7 és 602,5 Wh/kg
A kutatók két különböző katód-összeállítást is teszteltek, és mindkettő figyelemre méltó eredményt hozott:
- Nagy nikkeltartalmú ternáris katóddal: a 10 Ah kapacitású tasakos cellák 550,7 Wh/kg energiasűrűséget értek el, és 180 töltési-kisütési ciklus után is megőrizték eredeti kapacitásuk 80 százalékát.
- Lítiumban gazdag, mangánalapú katóddal: a reverzibilis fajlagos energia 602,5 Wh/kg-ra emelkedett, ami a kutatók szerint több mint 50 százalékos javulás a jelenleg széles körben alkalmazott hajtóakkumulátorokhoz képest.
A két konfiguráció közötti különbség önmagában is jelzi, hogy a katódanyag megválasztása még ezen a rendkívül magas szinten is közel 10 százalékos energiasűrűség-tartalékot rejt — vagyis a kutatás korántsem ért véget azzal, hogy sikerült túllépni a 600 Wh/kg-os küszöböt.
Meddig kell még várni a lítium-fém akkumulátorra?
A rendkívül ígéretes eredmények ellenére a kutatók maguk is hangsúlyozták, hogy a technológia egyelőre laboratóriumi kutatási szakaszban van. További fejlesztésekre, műszaki finomításokra és tesztelésre lesz szükség ahhoz, hogy az új lítium-fém akkumulátorokat nagy sorozatban, kereskedelmi célokra is elő lehessen állítani. A 600 Wh/kg feletti érték elsősorban olyan alkalmazásoknál lehet mérföldkő, ahol az akkumulátor tömege közvetlenül meghatározza a jármű használhatóságát — vagyis elsőként valóban a drónoknál és az eVTOL repülőgépeknél várható a bevezetése, ahol a nagyobb energiasűrűség hosszabb repülési időt és nagyobb hatótávot tehet lehetővé anélkül, hogy jelentősen nőnie kellene az akkumulátorcsomag tömegének. Az, hogy mikor és milyen formában jut el ez a technológia a hétköznapi elektromos autókig, egyelőre nyitott kérdés — ahhoz ugyanis a jelenleginél is nagyobb léptékű gyártásbiztonságra és költséghatékonyságra lesz szükség.
Kövesd az e-cars.hu-t a Facebookon is, további tartalmakért! ›
