Új technika hosszabbítja meg a lítiumfém-akkuk élettartamát

Amerikai kutatók most már valós időben is képesek megfigyelni az akkumulátorok töltés közbeni állapotát. Az új módszer pontosabb képet ad a korróziós folyamatokról, ami tartósabb energiatárolók tervezéséhez vezethet.

A lítium-fém akkumulátorok nagyobb energiasűrűséget kínálnak, mint a ma elterjedt lítium-ion cellák, azonban a rövid élettartamuk és instabil működésük eddig komoly kihívást jelentett a gyakorlatban. Az UCLA kutatócsoportja most egy új, nagy felbontású képalkotó eljárással áttörést ért el: töltés közben képesek rögzíteni az akkumulátorok belső szerkezetének változásait, másodpercek alatt, nanométeres részletességgel.

A kutatók által kifejlesztett eljárás az elektromos kriogenikus elektronmikroszkópia, röviden eCryoEM nevet kapta.

Lényege, hogy az akkumulátort töltés közben folyékony nitrogénbe mártják, így „megfagyasztják” az éppen zajló kémiai reakciókat – írta meg az Interesting Engineering. Ez lehetővé teszi, hogy az elektronmikroszkóp olyan állapotot is megörökítsen, amelyre korábban nem volt példa.

A technika legfőbb előnye, hogy nem csupán a kezdeti és végállapotot tudja rögzíteni – ahogy azt a hagyományos posztmortem módszerek tették –, hanem a töltés közbeni állapotváltozásokat is. Ez teszi lehetővé, hogy a kutatók valós időben követhessék nyomon a lítium körül kialakuló korróziós réteg növekedését.

Az elektromos járműveknek számos típusa létezik, beleértve az autókat, buszokat, motorkerékpárokat, vonalakat, és mozdonyokat is. (Kép forrása: Unsplash)

A korróziós réteg viselkedése döntő lehet

A tanulmány egyik kulcsa éppen az, hogy sikerült megfigyelni, hogyan vastagszik a szilárd elektrolit határfelületnek (SEI) nevezett réteg az akkumulátor töltése során. Ez a réteg alapvetően határozza meg, mennyire stabil és hosszú élettartamú egy lítium-fém cella.

A kutatás szerint a növekedésnek két fő szakasza van. Az elsőben a folyamatot a lítium reakcióképessége szabályozza, míg később az elektronok diffúziója válik a fő korlátozó tényezővé. A kutatók szerint a korai, reakció által korlátozott szakaszban a különbség háromszoros volt.

Ez az eredmény kiemeli, hogy az elektrolit reakcióképessége sokkal fontosabb lehet, mint azt korábban gondolták. A kutatók szerint a megoldás az lehet, ha az elektrolitot „a lehető leginertívebbé” teszik, vagyis csökkentik annak esélyét, hogy kémiai reakcióba lépjen a lítiummal.

A lítium-fém lehet a következő akkumulátoros áttörés

A lítium-fém akkumulátorok elméletileg akár kétszer akkora energiasűrűséget kínálnak, mint a jelenlegi lítium-ion cellák. Ez rendkívül vonzóvá teszi őket az elektromos járművek és a nagy energiasűrűséget igénylő alkalmazások szempontjából. Ugyanakkor az instabil működés és a gyors kapacitásvesztés eddig komoly akadályt jelentett.

A kutatás újdonsága, hogy nemcsak elméleti modelleket kínál, hanem valós, számszerűsíthető adatokkal támasztja alá azokat. A módszer ráadásul nem csak az energiatárolás területén lehet hasznos: az eCryoEM biológiai kutatásoknál is alkalmazható lehet, ahol szintén fontos a gyors és pontos szerkezeti leképezés.

„Ha ezeket a méréseket egymás után összefoglaljuk, az egy kicsit olyan lesz, mint egy flipbook animáció, ahol láthatjuk, hogyan növekszik a korróziós réteg az idő múlásával” – tették hozzá a kutatók.

Kiemelt kép: Unslapsh

A Új technika hosszabbítja meg a lítiumfém-akkuk élettartamát bejegyzés először NRGreport-én jelent meg.