Az új eredmények biztonságosabb, stabilabb fém akkumulátorokhoz vezethetnek

A fém akkumulátorok több energiát képesek leadni kisebb tömeg mellett, mint a népszerű lítium-ion akkumulátorok. A probléma azonban az, hogy a technológia jelenleg túl rövid élettartamú az akkumulátorokban található lítium fém rendkívül reaktív természete miatt. A svéd Chalmers Műszaki Egyetem új kutatása megmutatja, hol vannak a problémák, és hogyan lehet leküzdeni azokat úgy, hogy a fémelektródát közvetlenül az akkumulátorcellában hozták létre.

A lítium-ion akkumulátorok ma a legnépszerűbb akkumulátorok, de a széles körben elterjedt villamosítás előtt álló társadalomban olyan új akkumulátortechnológiákra van szükség, amelyek súlyonként vagy térfogatonként több energiát tudnak biztosítani. Ez fontos a nagyobb hatótávolságú elektromos autók vagy a rövidebb távolságokra közlekedő elektromos repülőgépek fejlesztése szempontjából. Ezért a figyelem most a fémelektródákkal ellátott akkumulátorok felé fordul, ahol a lítium-ion akkumulátor grafitelektródáját fém lítiumra cserélték. Például a szilárdtest akkumulátorok, amelyeket az egyik legígéretesebb új technológiának tartanak, fémelektródát használnak, és olyan cellákat biztosítanak, amelyek nagyobb mennyiségű energiát szolgáltatnak, mint a mai lítium-ion akkumulátorok. A fémelektródákkal azonban van egy probléma – a fém reaktív, ami azt jelenti, hogy könnyen reagál a környezettel, és nehéz hosszú élettartamú cellát létrehozni.

A fém akkumulátorok Aleksandar Matic professzor kutatócsoportjának egyik fókuszterülete a Chalmers-i Fizikai Tanszéken. Ők voltak az első kutatócsoport , amely 3D röntgensugarakat használt annak nyomon követésére, hogy a lítium fém akkumulátorban lévő lítium hogyan viselkedik valós időben használat közben . Ezek a kísérletek új meglátásokhoz vezettek az ilyen típusú akkumulátoroknál felmerülő döntő problémába – nevezetesen, hogy a lítium „dendriteket”, vagyis egyenetlen szerkezeteket képez a töltés és kisütés során, ami idővel befolyásolja az akkumulátor stabilitását és működését.

Elkerüli a fémelektródát károsító felületi rétegeket

Ezek olyan meglátások, amelyekre a kutatók továbbra is építettek. Nemrég a Journal of The Electrochemical Society-ben mutatták be a fém akkumulátorokkal kapcsolatos kutatási eredményeiket , amelyekben egy egyszerű módszert mutattak be annak elkerülésére, hogy a reaktív fémelektródán olyan felületi réteg képződjön, amely rontja az akkumulátor élettartamát. Eredményeik a fémelemek stabilabbá és biztonságosabbá tételére vonatkozó jövőbeli stratégiákra utalnak.

„Nagyon inert környezetben dolgozunk, de a fém még ott is talál valamit, amivel reagálhat, és kialakul egy felületi réteg, ami befolyásolja a fém viselkedését az akkumulátorban. Láttuk azonban, hogy ezek a reakciók valójában nagyon egyszerű eszközökkel elkerülhetők: ahelyett, hogy az akkumulátoron kívüli reaktív elektródaanyagokkal foglalkoznánk, az elektródánkat az akkumulátor belsejében hozzuk létre egy galvanizálásnak nevezett eljárással. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy elkerüljük, hogy a reaktív fém reakcióba lépjen a környezettel, ami előnyt jelent, mivel kiszámíthatóbb és stabilabb elektródát kapunk” – mondja Josef Rizell, a Chalmers-i Fizikai Tanszék doktorandusza, aki a közelmúltban megjelent tanulmány vezető szerzője. papírt Aleksandar Maticcsal együtt.

Ígéretes stratégiák keresése az akkumulátor teljesítményére

„Az akkumulátor elektródáiban és azok körül lezajló folyamatok alapvető megértése – amikor töltjük és kisütjük – kulcsfontosságú a jobb akkumulátorok jövőbeni fejlesztéséhez. Az akkumulátor nagyon összetett, és sok különböző dolog történik párhuzamosan, ami megnehezíti a rendszer elemzését. Megpróbáltunk minden reakciót vagy folyamatot külön elkülöníteni, és megvizsgálni, hogy az adott folyamat hogyan befolyásolja az akkumulátor működését. A cél az, hogy jobban megértsük, mi történik a fémelektródánál, amikor akkumulátort használunk, és ezáltal mely stratégiák a legígéretesebbek a jobb működés érdekében” – mondja Josef Rizell.

Kormányzati kezdeményezés az akkumulátorokról

A tanulmány egyike a Chalmers-nél folyó akkumulátorkutatás sok közül. Aleksandar Matic a Chalmers Compel igazgatója, egy kormányzati kezdeményezés, amely a Chalmers, az Uppsalai Egyetem és a Lund Egyetem villamosítási és akkumulátortechnológiai kutatásának és oktatásának növelését foglalja magában.

„Az ilyen típusú alapkutatások fontosak az új akkumulátor-koncepciók és technológiák előtt. Enélkül csak kipróbálni lehet, például tájékozódni térkép nélkül. Itt rakjuk le a jövőbeli innovációk alapjait, amelyek hozzájárulnak a fenntartható társadalmi fejlődéshez. Az akkumulátorok már most is kulcsfontosságú részét képezik ennek a fejlesztésnek, és fontosságuk a jövőben csak növekedni fog” – mondja Aleksandar Matic.

Hogyan jön létre az elektróda az akkumulátorban:

A fémet elektrokémiai úton, galvanizálásnak nevezett eljárással lehet előállítani. Feszültség hajtja az elektronokat az elektródához, és az elektróda felületén fém képződik az elektronok és az elektrolitból származó ionok reakciójával. Amikor egy fém akkumulátort újratöltünk, ez éppen ezen a reakción keresztül történik. Ugyanez az eljárás használható fémelektróda előállítására is közvetlenül az akkumulátorcellában. Az akkumulátoron belüli fémelektróda létrehozásával a fémnek soha nem lesz lehetősége reagálni az akkumulátoron kívüli szennyeződésekkel, és jobb és stabilabb felületi rétege van.

Bővebben a kutatásról:

A kutatási eredményeket a Journal of The Electrochemical Society folyóiratban megjelent Electrochemical Signatures of Potassium Plating and Stripping című cikk mutatja be, amelyet Josef Rizell, Wojciech Chrobak, Nataliia Mozhzhukhina, Shizhao Xiong és Aleksandar Matic írt. Valamennyi kutató a svédországi Chalmers Műszaki Egyetemen dolgozik.
A kutatást a Formas, a Vinnova és a BASE kompetenciaközpont finanszírozta.

Fozók: Chalmers University of Technology | Henrik Sandsjö

Tudtad?

• A Mi az a blogger pont hu, az Egyszer már láttam autót pont hu, a Teszt a lelke mindennek pont hu, a GaszTROLL pont hu és a Trollverda pont hu honlapok, valamint a Begurulva – autó és kütyümustra és a podCARs pont hu podcast csatornák a Médiabirodalom lapcsoporthoz tartoznak!