Évek óta azt feltételezzük, hogy egy villanyautó-akkumulátor élettartamának meghosszabbítása kizárólag kémiai kérdés: jobb elektrolit, stabilabb elektród-anyag, okosabb cellakémia. A Cambridge-i Egyetem kutatói most bebizonyították, hogy ez a feltételezés legalábbis hiányos. Egy olyan felfedezésre bukkantak, ami nem az akkumulátor belsejét, hanem a rá ható fizikai erőt változtatja meg — és ezzel akár a kétszeresére is növelhető egy lítiumion-akkumulátor élettartama. Az eredményeket a The interplay between stack pressure, mechanical expansion and degradation pathways in lithium-ion batteries címmel publikálták a rangos Nature Energy folyóiratban.
Az akku, ami „lélegzik”
A felfedezés kiindulópontja egy olyan jelenség, amire a legtöbb villanyautó-tulajdonos sosem gondol töltés közben. Minden egyes töltési és kisütési ciklus során a lítiumionok az anód és a katód között vándorolnak, ami miatt az akkumulátor fizikailag kitágul, majd újra összehúzódik — folyamatosan, minden egyes alkalommal, amikor csatlakoztatjuk a töltőkábelt. Michael De Volder professzor, a Cambridge Mérnöki Karának kutatója, aki a projekt egyik vezetője volt, ezt úgy fogalmazta meg, hogy az akkumulátor „szinte úgy lélegzik, mint egy élő szervezet”. Ahogy hozzátette, „az akkumulátorok azonban nem igazán kedvelik ezt a folyamatos feszülésből és tehermentesülésből álló ciklust” — és éppen ez az ismétlődő mechanikai stressz az, ami hosszú távon rongálja a cella belső szerkezetét.
Miért pont egy gépészmérnök talált rá a megoldásra
Az igazán érdekes momentum, hogy a felfedezés nem egy vegyész vagy fizikus laborjából, hanem egy gépészmérnök kíváncsiságából született. De Volder elmondása szerint miközben a lítiumion-akkumulátorok fejlesztésének nagy része hagyományosan kémikusok és fizikusok munkájára épül, az ő csapata arra volt kíváncsi, mi történik, ha a mechanikai oldalt vizsgálják meg alaposabban. „Egyszerűen kereskedelmi forgalomban kapható akkumulátorokat vásároltunk, majd különböző nyomásviszonyok mellett vizsgáltuk azok élettartamát. Sem az elektrolitot, sem az elektródák összetételét nem kellett módosítanunk” — magyarázta. Ez az, ami a felfedezést valóban „egyetlen trükkévé” teszi: nem kellett új anyagot kifejleszteni, csak a meglévő cellát a megfelelő fizikai körülmények közé helyezni.
A kísérlet: pneumatikus fújtatók és mikroszkopikus mozgások
A méréshez a kutatók egy vizsgált tasakcellát (pouch cell) pneumatikus fújtatókkal — apró, levegővel töltött párnákkal — szorítottak össze, amelyek bilincsként fogták körbe a cellát. Ez a rendszer folyamatos, precízen szabályozható nyomást biztosított, miközben egy érzékelő rendkívül kis térfogatváltozásokat is figyelt az akkumulátor töltési és kisütési ciklusai során. Ennek köszönhetően a kutatók nemcsak azt tudták kimutatni, hogy a nyomás számít, hanem azt is, pontosan mekkora nyomás az ideális, és mi történik, ha ettől eltérnek.
Ez az az egyetlen trükk: a 12,5 bar
A kutatócsoport megállapította, hogy a pneumatikus rendszer által kifejtett nyomásnak körülbelül 12,5 bar értékűnek kell lennie ahhoz, hogy kedvezően befolyásolja az akkumulátor élettartamát — ez nagyjából négyszerese annak, amit a hagyományos gombelem-cellákban alkalmaznak. Ha a nyomás ettől az optimális tartománytól eltér, az akkumulátor gyorsabban öregszik, méghozzá két, egymással ellentétes irányban: a túl nagy nyomás elősegítheti a lítium kiválását (lítiumbevonat kialakulását) az anódon, míg a túl alacsony nyomás a katód repedezéséhez vezet. De Volder így összegezte a dilemmát: „Ha túl nagy nyomást alkalmazunk, az anód károsodik. Ha viszont túl kicsit, akkor a katód kezd el romlani. Kísérleteink segítségével sikerült meghatároznunk azt az optimális tartományt, ahol az akkumulátorok a legjobban érzik magukat a mechanikai nyomás szempontjából.” A kutatók azt is megfigyelték, hogy nemcsak a nyomás mértéke, hanem annak stabilitása is kulcsfontosságú: az élettartam szempontjából az a legkedvezőbb, ha a nyomás a teljes ciklus alatt viszonylag állandó marad.
Mikor kerülhet be a mi villanyautóinkba?
A lelkesedést azonban érdemes egy fokkal visszafogni: az eredmények egyelőre kizárólag laboratóriumi körülmények között születtek, és a technológiát még ipari méretre kell fejleszteni, mielőtt kereskedelmi forgalomban gyártott akkumulátorokban is megjelenhetne. Vagyis egy mai villanyautó-vásárlónak még várnia kell, mire ez a felfedezés ténylegesen beépül egy gyári cellába. Ugyanakkor a folyamat már elindult: a Cambridge Enterprise, az egyetem innovációs szervezete már szabadalmi bejelentést tett az eljárásra, ami arra utal, hogy a kereskedelmi hasznosítás napirenden van. A kutatást részben az Európai Kutatási Tanács (ERC), a Faraday Institution, valamint az Egyesült Királyság Mérnöki és Fizikai Tudományok Kutatási Tanácsa (EPSRC) és a UK Research and Innovation (UKRI) támogatta, vagyis mind uniós, mind brit állami háttér áll a projekt mögött.
Kövesd az e-cars.hu-t a Facebookon is, további tartalmakért! ›
