A félvezetőgyártás technológiájával forradalmasítják az elektromos autók tömegét és hatótávját

Az elektromos autózás egyik legnagyobb kihívása a hatótávolság és a járművek össztömege közötti kényes egyensúly megteremtése. Minél nagyobb egy autó hatótávja, annál több akkumulátorcellára van szükség, ami drasztikusan növeli a tömeget. Egy dél-koreai kutatócsoport most olyan áttörést ért el, amely alapjaiban változtathatja meg ezt a dinamikát: a félvezetőgyártásból ismert precíziós eljárások segítségével tennék lehetővé az anód nélküli akkumulátorok tömeggyártását.

A hagyományos lítiumion-akkumulátorok működése során a lítiumot egy speciális anódanyagban, leggyakrabban grafitban tárolják a töltési folyamat során. A KAIST tudósai által bemutatott anód nélküli technológia lényege, hogy ezt az összetevőt teljesen elhagyják, és a lítiumot közvetlenül egy vékony rézfóliára helyezik. Ez a megoldás jelentős súly- és térfogatcsökkenést eredményez, ami lehetővé teszi, hogy ugyanakkora helyen sokkal több energiát tároljanak. E technológia kereskedelmi alkalmazásának eddig egy súlyos fizikai akadálya volt: az ismételt töltési ciklusok során a lítium nem egyenletesen terült el a felületen, hanem tűszerű képződményeket, lítiumdendriteket alkotott, amelyek amellett, hogy rövidítették az akkumulátor élettartamát, biztonsági kockázatot is jelentettek.

A probléma megoldásához a mikroprocesszorok gyártásánál használt nanofabrikációs eljárásokhoz fordultak.

A szakemberek az eredetileg félvezetőgyártásban alkalmazott porlasztásos litográfia segítségével mikroszkopikus, alig 300 nanométer átmérőjű csőrendszert alakítottak ki a rézfólia felületén. Ez a strukturált felület négyszeresére növeli a rendelkezésre álló területet, így a lítium egyenletesen, a veszélyes tüskék kialakulása nélkül tud lerakódni.

De a kutatócsoport nem állt meg a felület strukturálásánál. A rézfóliát mindössze 10 nanométer vastagságú MXene réteggel, egy speciális kétdimenziós anyaggal vonták be. Ez az ultravékony film egyfajta alapozóként funkcionál, amely a működés során elősegíti egy rendkívül ellenálló, lítium-fluoridban gazdag védőréteg kialakulását.

A belső pajzs pedig meggátolja a lítium és az elektrolit közötti káros kémiai reakciókat, tovább növelve az eszköz stabilitását.

A korábbi kísérletek során a mérnökök gyakran plusz lítium hozzáadásával, esetleg vastag védőbevonatokkal próbálták ellensúlyozni az élettartam csökkenését. Ezek a módszerek azonban éppen az anód nélküli konstrukció legnagyobb előnyét, a könnyű kivitelt és a kis méretet zárták ki. A most bemutatott eljárás ezzel szemben anélkül növeli az élettartamot, hogy érdemben változtatna az akkumulátor tömegén.

„A technológia várhatóan alapul szolgál a nagy energiasűrűségű, anód nélküli akkumulátorok kereskedelmi forgalomba hozatalának felgyorsításához, mivel növeli az élettartamot, miközben csak minimálisan növeli a súlyt és a térfogatot” – foglalta össze a kutatást vezető Jinwoo Lee professzor. A vizsgálatok megerősítették, hogy a nanoméretű védőréteg egyenletesen alakul ki a módosított felületen, ami megnyithatja az utat a tartósabb és könnyebb elektromos járművek előtt.

Gábor János, NEW technology