A Harvard kutatói tartós szilárdtest-akkumulátort fejlesztenek ki

A Harvard John A. Paulson Műszaki és Alkalmazott Tudományi Iskolájának (SEAS) kutatói kifejlesztettek egy lítium-fém, szilárdtest-akkumulátort, amely állításuk szerint lényegesen több energiát képes megtartani a hagyományos lítium-ion akkumulátoroknál azonos térfogaton, miközben töredéknyi idő alatt töltődik fel. Bár ez örvendetes hír egy potenciálisan világváltoztató technológia körül, a költséghatékony méretezhetőséggel kapcsolatos kérdések továbbra is bizonytalanok.

A szilárdtest akkumulátorok évtizedek óta olyan elérhető technológiaként állnak a mérnökök és elektronikai gyártók előtt, amely paradigmaváltást jelenthet az energiafogyasztás terén. Az elmúlt években egyre több kutató ért el új mérföldköveket a szilárdtest-akkumulátor prototípusok terén, de továbbra is komoly akadályt jelent a technológia tömeges gyártása a hagyományos lítium-ion akkumulátoroknál alacsonyabb áron.

A Harvard mérnöki csapata stabil szilárdtest-akkumulátort tervezett lítium-fém felhasználásával, amelyet nagy áramsűrűség mellett legalább 10 000-szer lehet feltölteni és kisütni. A jelentés szerint ez a technológia megnövelheti az EV-k élettartamát további 10-15 évvel az akkumulátor cseréje nélkül.

Ezenkívül a Harvard kutatócsoportja úgy véli, hogy a szilárdtest-akkumulátor nagy áramsűrűsége miatt képes az EV-k számára 10-20 perc alatt teljes töltöttséget biztosítani. Xin Li, a Harvard John A. Paulson Mérnöki és Alkalmazott Tudományi Iskola (SEAS) anyagtudományi docense elmondta:

Kutatásunk azt mutatja, hogy a szilárdtest-akkumulátor alapvetően eltérhet a kereskedelmi forgalomban kapható folyékony elektrolit-lítium-ion akkumulátortól. Alapvető termodinamikájuk tanulmányozásával kiaknázhatjuk a kiváló teljesítményt és a bőséges lehetőségeket.

Az egyik legfontosabb oka annak, hogy akkumulátor szakértők nem követték ezt a lítium-fém megközelítést, az ideálisnál kisebb kémiai illékonyságuknak köszönhető. Amikor a lítium akkumulátorok töltődnek, a lítium-ionok a katódról az anódra mozognak. Lítium-fém anódokkal a mozgó lítium tűszerű, dendriteknek nevezett struktúrákat idézhet elő az anód felületén és azon túl is. Ezek a dendritek az anódot és a katódot elválasztó elektrolitba növekedhetnek, ami az akkumulátor meghibásodását vagy akár tüzet okozhat.

Ennek leküzdésére Li és Harvard-i csapata többrétegű megközelítéssel tervezték szilárdtest-akkumulátorukat, amely az anód és a katód között változó stabilitású anyagokat alkalmaz. Hasonlóan egy szendvicshez. Ez a több anyagból álló akkumulátor-szendvics segít enyhíteni a lítium-dendritek behatolását azáltal, hogy kontrollálja és körülveszi azokat, nem pedig teljesen megakadályozza a képződésüket.

A Harvard csapata leegyszerűsítette az akkumulátor kialakítását. A lítium-fém anódot egy grafit bevonat követi, ezután két elektrolit, majd a katód következik. Ebben az elrendezésben a dendritek át tudnak nőni a grafiton és az első elektroliton, de a második elektrolit megállítja őket, ami megakadályozza, hogy rövidre zárják az egész akkumulátort. Ez a réteges felépítés olyan kémiát vált ki, ami túl szűkké teszi a második elektrolitot ahhoz, hogy a dendritek átjussanak rajta.  Továbbá a Harvard kutatói szerint ugyanez a kémia visszatöltheti a dendritek által okozott lyukakat, lényegében öngyógyítóvá téve a szilárdtest-akkumulátort.

Li elmagyarázta ennek az akkumulátor-áttörésnek a jelentőségét, ugyanakkor ismeri a méretezhetőség jelenlegi realitását:

Ez a koncepcióbiztos kialakítás azt mutatja, hogy a lítium-fém szilárdtest-akkumulátorok versenyképesek lehetnek a kereskedelmi lítium-ion akkumulátorokkal szemben. A többrétegű kialakítás rugalmassága és sokoldalúsága potenciálisan kompatibilis az akkumulátoripar tömeggyártási eljárásaival. A kereskedelmi méretű akkumulátorra való méretezés nem lesz egyszerű, és még mindig vannak gyakorlati kihívások, de hisszük, hogy ezeket le tudjuk küzdeni.

A Harvard mérnöki csapata valóban érhet el áttörést a szilárdtest-akkumulátor technológia terén, de annak érdekében, hogy a komolyabban alkalmazható legyen, a létesítményekkel, infrastruktúrával, ellátási lánccal és ügyfélkapcsolatokkal rendelkező gyártó létfontosságú lesz.

Forrás: Electrek

https://electrek.co/2021/05/13/harvard-researchers-develop-long-lasting-solid-state-battery/