Minden villanyautó-tulajdonost foglalkoztat előbb-utóbb ugyanaz a kérdés: mennyi ideig bírja még az akkumulátor, és mikor kezdődik el az a láthatatlan folyamat, ami végül a hatótáv csökkenéséhez vezet? A német Szövetségi Anyagkutató és -vizsgáló Intézet (BAM) kutatói most olyan felfedezést tettek, ami erre a kérdésre sokkal korábban adhat választ, mint eddig bármi. Kiderült ugyanis, hogy a lítiumion-cellákban jelen lévő két lítiumizotóp eloszlása egyfajta ujjlenyomatként árulkodik az akkumulátor belsejében zajló öregedési folyamatokról — méghozzá jóval azelőtt, hogy ez mérhető kapacitásvesztésben megmutatkozna. A kutatás eredményeit az ACS Energy Letters szaklapban publikálták.
Miért nehéz eddig az akkumulátorok öregedését megérteni?
A lítiumion-akkumulátorok élettartamát számos, egymással összefonódó és rendkívül összetett öregedési folyamat korlátozza, amelyek pontos okait a kutatók eddig nehezen tudták egymástól elkülöníteni. A hagyományos diagnosztikai módszerek ugyan képesek kimutatni, hogy egy akkumulátor öregszik, ám csak korlátozott információt szolgáltatnak arról, hogy a degradáció pontosan mikor, hol és milyen mechanizmus révén indul el. Ez a bizonytalanság komoly akadálya volt annak, hogy a gyártók célzottan tudják továbbfejleszteni az akkumulátorok tartósságát. A BAM szerint éppen ez volt az a „mindeddig megoldatlan kihívás”, amit a Carlos Abad és Beatrice Battistella vezette kutatócsoport most áttörte.
A lítium két arca: hogyan válik izotópból nyomkövető?
A módszer alapja meglepően egyszerű elven nyugszik: a természetben előforduló lítium két izotópból áll, a könnyebb lítium-6-ból és a valamivel nehezebb lítium-7-ből — ezek ugyanannak a kémiai elemnek olyan változatai, amelyek atommagjában eltérő számú neutron található. Egy vadonatúj akkumulátorban a két izotóp pontosan olyan arányban van jelen, mint a természetben: a lítium-6 részaránya 2,4 százalék, a lítium-7-é pedig 97,6 százalék. A kutatók azt figyelték meg, hogy ez az arány a cella élete során nem marad állandó, hanem a degradációs folyamatokkal párhuzamosan jellegzetes mintázat szerint tolódik el — és ez a mintázat az, ami diagnosztikai eszközként használható.
Amit a nikkel-mangán-kobalt katód elárult
A kísérletben a kutatók egy olyan akkumulátort vizsgáltak, amelynek katódja lítium-nikkel-mangán-kobalt-oxidból (NMC), anódja pedig grafitból készült. Már az első néhány töltési ciklus után kimutatható volt, hogy a lítium-6 aránytalanul nagy mennyiségben kezdett felhalmozódni az anódon. További 280 töltési ciklus elteltével ez a jelenség még hangsúlyosabbá vált, miközben a katódban ezzel párhuzamosan jelentősen megnőtt a lítium-7 tartalma. A kutatók pontosan ezzel egy időben mérték a cellák kapacitásának csökkenését is — vagyis sikerült közvetlen, egyértelmű kapcsolatot kimutatniuk az izotóp-eloszlás megváltozása és a teljesítményromlás között.
Réteg rétegre: a tömegspektrometria szerepe
A felfedezést egy nagy felbontású tömegspektrometriai eljárás tette lehetővé, amellyel a kutatók rétegről rétegre tudták feltérképezni a lítiumizotópok eloszlását az elektródák teljes mélységében. A vizsgálatokat a brit Nu Instruments Ltd. és a drezdai Leibniz Szilárdtest- és Anyagkutató Intézet (IFW Dresden) bevonásával végezték. „A lítiumizotópok eloszlása így közvetlen információkat szolgáltat a lítiumion-akkumulátorok öregedési folyamatairól. Az izotópok természetes jelölőként működnek” — magyarázta Beatrice Battistella, hozzátéve, hogy az eloszlásuk betekintést enged azokba a mechanizmusokba is, amelyek szabályozzák a lítium mozgását a cellán belül, és megmutatják, pontosan hol következnek be a változások.
Mit jelent ez a jövő akkumulátoraira nézve?
A felfedezés legnagyobb hozadéka, hogy a jövőben az akkumulátorok öregedését nem csak akkor lehetne érzékelni, amikor a kapacitásvesztés már ténylegesen mérhető, hanem sokkal korábban — pusztán a lítiumizotópok által hátrahagyott nyomok alapján. Ha egy ilyen izotóp-alapú diagnosztika a jövőben beépíthetővé válna a gyártási vagy minőségellenőrzési folyamatokba, az gyakorlatilag egy korai előrejelző rendszert adhatna a kezünkbe — jóval azelőtt, hogy a felhasználó bármit is érezne a hatótávból. A BAM szerint ez a fajta pontosabb megértés végső soron kulcsfontosságú ahhoz, hogy az akkumulátorokat célzottabban lehessen továbbfejleszteni, élettartamukat pedig megbízhatóbban lehessen előre jelezni.
Kövesd az e-cars.hu-t a Facebookon is, további tartalmakért! ›
